２０１３年５月【文章编号】１６７３—００３８（２０１３）１３—００３５一０２■啊目曩商规划与设计盾构法施工对地表沉降的影响因素分析何阳（江西南昌３３００７７）摘要：进入２１世纪，世界经济的迅猛发展使城市化建设得到了大幅度的提速。目前，人口不断地向城市聚集，使城市人口和建筑的密集度快速上升，造成能被利用的地面空问越来越少，因此，当今城市现代化建设的重要课题之一便是开发地下空阃，为人类创造价值。但各种用途的管线被布置在地下，这便产生了在地下工程施工背景下的一种最佳方法一盾构法。本文以地铁隧道盾构法施工为研究对象，借助ＡＮｓＹｓ有限元软件对其进行模拟分析，得到了一些有益的结论，为此，本文阐述了地表沉降随影响因素变化的规律及变化的原因，并对影响因素进行了敏感性分析。关键词：地表沉降；影响因素；敏感性分析１地层隆沉的发展过程盾构推进引起的地面沉降包括五个阶段：最初的沉降、开挖面前方的沉降、盾构机经过时沉降、盾尾空隙的沉降以及最终固结沉降，如图ｌ所示。再二所段聋五蝓蔚曩二坑艘面顶进压力、土体弹性模量和盾构直径六个方面的因素进行分析。２．１盾尾注浆压力的影响地表沉降会受到盾构机尾部注浆压力的影响，且影响较大。本文在ＡＮＳＹＳ中通过设置不同的盾尾注浆压力参数值来研究．蕈匹卧陵』Ｌｉ，。区站诫譬，／７，，７Ｊ１７一——ｒ—７开挖面前，ｒ妻再一一。＋第一瞬段＿其影响程度的大小。通过模拟分析发现：最大地面沉降随注浆压力的增加而减小。我们知道，压力过小使得浆液不能将盾尾空隙充填完全，过大会造成浆液的流动性较差，主要是因为当盾尾脱空时，土体释放的大部分荷载被注浆压力抵消，注浆压力越大，浆体越能阻碍衬砌上方土体的径向位移，同时盾尾空隙也越能被充填完全，受到的作用也越大。‘一研始戒隆’詹柏谨过，４的汽琏————Ｌ一一，詹意空障沆降一笪瞳啊■豳ｌ豳＝；聃帆围ｌ地面沉降历时曲线第一阶段：最初的沉降。该压缩、固结沉降是因为地基有效上覆土层厚度增加而产生的沉降，也是盾构机向前掘进时因为地下水水位降低造成的。指从盾构开挖面距地面沉降观测点还有一定距离（约３．１２１１１）的时候开始，直至开挖面到达观测点这段时间内所产生的沉降。第二阶段：开挖面前方的沉降（或隆起）。这种地基塑性变形是由土体应力释放、开挖面的反向土压力、或机身周围的摩擦力等作用而产生的。它是从开挖面距观测点约几米时开始至观测点处于开挖面正上方这段时间所产生的沉降（或隆起）。第三阶段：盾构机经过时沉降。该沉降是在土体的扰动下，从盾构机的开挖面到达测点的正下方开始到盾构机尾部通过沉降观测点该段时期产生的沉降（或隆起）。第四阶段：盾尾空隙沉降。该沉降产生于盾尾经过沉降观测点正下方之后。土的密实度下降，应力释放是其土力学上的表现。第五阶段：固结沉降，它是一种由地基扰动所产生的残余变形沉降。经前人研究发现，第一阶段沉降占总沉降的０～４．５％，第二阶段沉降占总沉降的０—４４％，第三阶段沉降占总沉降的１５～２０％，第四阶段沉降占总沉降的２０～３０％，第５阶段沉降占总沉降的５—３０％。２．２覆土厚度的影响地面沉降的因素很大一部分也归结于覆土厚度，在盾构机直径不变，而覆土厚度不同的情况下，通过模拟分析发现：最大地面沉降随覆土厚度的增加而减小。也可以从计算结果得出一点帮助：在地层条件允许的情况下，加大隧道设计埋深对减小地面沉降来说是一条有效的措施。原因在于：覆土厚度在地层损失相同时越大的话，沉降槽的范围也会相应的增大，从而使得最大地面沉降值减小。２．３管片宽度对地表沉降的影响在地铁隧道盾构法开挖中，某一段固定长度内管片的整体刚度是受到衬砌管片的宽度影响的，也就是说管片抵抗外界变形的能力与宽度息息相关。本文在建模中取了不等的管片宽度来比较该因素是如何影响沉降的，计算表明，地表沉降最小的情况是发生在管片宽度越大的时候。究其地层变位更小的原因，如下：特定长度内的管片之间形成的缝隙数量在宽度大的盾构管片时相对来说就少，此时缝隙的总宽度也就更小，致使抵抗外界变形的能力就更强，整体的刚度也就更大。２．４掌子面顶进压力的影响掌子面顶进压力即盾构推进时切削刀盘对隧道前方土体的作用力，在模型中将其取不同的值来反映对地表沉降的影响，但要保证前方水土压力之和不大于掌子面项进压力的值，警戒值被前方土体隆起超过是由顶进压力值过大造成的。．模拟后发现，地表累计沉降值变化量在掌子面顶进压力的增大下略微增大，而它在一般工况下掌子面顶进压力改变时变化较小。・３５・２地表沉降的因素影响分析该因素影响分析的平台是当前使用较为广泛的大型三维有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，盾构开挖面掘进引起的地表沉降的客观因素包括盾构直径、土体刚度、隧道埋深、施工状况等设计条件；而其主观因素包含施工管理、盾构机的选用形式、盾尾注浆、辅助施工方法等。下面对盾尾同步注浆、覆土厚度、管片宽度、掌子万方数据规划与设计■■目爱瞄２叭３年５月２．５土体弹性模量对地表沉降的影响土体受扰动时抵抗变形的能力体现在土体的弹性模量上，在隧道开挖时对地表沉降总和的贡献很大，为了比较其对地表沉降的影响，在模型中设定了不同的土体弹性模量来查看对比结果。通过模拟分析得知当提高土体弹性模量时，提高了土体抵抗变形的能力，即增大了土体的刚度，结果导致最大地面沉降量相应的减小，因此，要保证土体不发生过大变形，在选择盾构掘进路线时，软土层的地带应避开，土质情况较好的区域应优先放在考虑的位置。平均敏感度：ｌ上垫旦翌兰寿兰罢爹芸产旦１＝０．０３６３．５土体弹性模量分别取不同的土体弹性模量，分析结果如下：表５不同的土体弹性模量建模计算出的结果墨生塑堕堕！！竺！ｌ二翌兰！！！ｌ二！！：！！！】二！！：！！墅Ｉ二！！：！竺！ｌ二！！：！！！平均敏感度：Ｉ上竖型１２｝幕罢Ⅱ丛墨尘塾箜上３．６盾构直径分别取不同的盾构直径，分析结果如下：表６不同的盾构直径建模计算出的结果盾构直径（ｍ）６．１４６．２６１７ｌ６．２８６．３４ｌ：ｏ．５６８２．６盾构直径对地表沉降的影响其它的因素值保持不变，分别改变盾构直径的大小来进行研究。经模拟分析发现，当盾构直径增大时，最大地面沉降值是不断增大的。这是由于：①周围土体会受到盾构机躯体在掘进前行过程中对其产生的扰动，并且躯体越大，扰动越大；②在施工过程中，盾构直径越大意味着盾尾建筑空隙越大，增大了地层损失，导致被挖去的土体也就越多，要达到阻止地层产生更大的位移的目的，就须及时将浆体注入到盾尾空隙中；③刀盘开挖半径越大是由越大的盾构直径所致，因此在盾构机的刀盘在切削土体时增大了开挖面前方受扰动土体的范围：从分析得知，在条件允许的情况下，要达到减少土体变位的目的，应在盾构机选型时尽量选用相对较小直径的盾构机。６．４累计沉降值（ｍｍ）ｌ—１６．７１８５Ｉ一１７平均敏感度：Ｉ上丝垒鼍鑫嘉笺帚盖皇薹产Ｉ＝８．９８ｓ经过分别对盾尾同步注浆压力、覆土厚度、管片宽度、掌子面ｌ一２０．５１９５ｌ一２２．２１３８ｌ一２４．３４９６顶进压力、土体弹性模量和盾构直径六项因素进行建模比较，并分析它们各自的平均敏感度，由上述分析结果表明：地表沉降对盾构直径变化的反应最为敏感，按平均敏感程度由小到大的顺序依次排列六项因素为：盾尾注浆压力、掌子面项进压力、管片宽度、土体弹性模量、覆土厚度、盾构直径。３敏感性分析下面来分析盾尾同步注浆压力、覆土厚度、管片宽度、掌子面顶进压力、土体弹性模量和盾构直径六项因素对地表沉降的影响程度大小，采用的分析方法为单因素敏感性分析法。４结论本文分析了地表沉降随影响因素变化的规律及变化的原因，并对影响因素进行了敏感程度比较，望能对地铁工程设计提供相关的参考，指导信息化施工。参考文献３．１盾尾注浆压力分别取不同的盾尾注浆压力值，分析结果如下：表１不同的盾尾压力值建模计算出的结果垩鳖垩垄！竺堕ｌ！：！！：！！：！！：！！：！ｆ１１张凤祥，朱合华，傅德明盾构隧道．北京：人民交通出版社，２００４．［２】丛恩伟．北京地铁盾构法旌工引起地表沉降的分析与预测研究【Ｄ】．硕士，２００４．累计沉降值（ｍｍ）【一２０．９１８３ｌ一２０．６７６５Ｉ一２０．５１９５ｌ一２０．４６７９ｌ一２０．３７９５平均敏感度：｝上垫』堕专兰考焉孳罄凄｝迦Ｉ＝ｏ．０２分别取不同的覆土厚度，分析结果如下：表２不同的覆土厚度建模计算出的结果６．２４９．２４１２．２４１５．２４１８．２４『３１张国营，傅国利．盾构法施工过程的有限元模拟．岩土工程技术，２００７，２ｌ（６）：２７５～２７８．３．２覆土厚度『４１张云．盾构法隧道的位移反分析及其工程应用．南京大学学报，２００１，３７（３）：３３４～３４１．【５】周秀普，盾构隧道掘进的隆沉控制与优化研细Ｄ］．硕士，２００６．【６】ＰｅｃｋＩＣＳＭＦＥ，Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍｍ：６０７—６２８．ＲＢ，Ｙｅａｔｅｓ．Ｔｕｎｎｅｌｉ“ｇｉｎｓｏｉｌｓ，ｌＯｔｈ覆土厚度（ｏ累计沉降值（ｍｍ）『一３４．７８２１『一２６．７３６９ｌ一加．５１９５Ｉ—１５．６２７６ｌ一１２．５９３１【７］刘建航，侯学渊，盾构法隧道［Ｍ】．北京：中国铁道出版社，１９９ｌ：３２９～６３９．平均敏感度：ｌ上丝垒≮丧兰若委笛譬是龛产点堕望ｌ＝１．１３．３管片宽度分别取不同的管片宽度，分析结果如下：表３不同的管片宽度建模计算出的结果０３收稿日期：２０１３－４—２３作者简介：何阳（１９８７一），男，助理工程师，从事建筑工程结构设计工作。一１９．５３５８累计沉降值（ｍｍ）一２２．１０３—２０．５１９５平均敏感度：｝上堕鱼堑坠毛蒿等巽学笋二螋Ｉ＝ｏ．３分别取不同的掌子面项进压力值，分析结果如下：表４不同的掌子面顶进压力建模计算出自４结果ｏ．５ｏ．７ｏ．９１．１１．３３．４掌子面顶进压力掌子面顶进压力（ＭＰａ）Ｉ累计沉降值（ｍｍ）Ｉ一２０．２７４５ｌ一２０．３６９Ｉ一２０．５１９５『一２０．７１８５Ｉ一２０．９３４５・３６・万方数据盾构法施工对地表沉降的影响因素分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
何阳
建材与装饰
Construction Materials & Decoration2013(13)
参考文献(7条)
1.张凤祥;朱合华;傅德明 盾构隧道 2004
2.丛恩伟 北京地铁盾构法施工引起地表沉降的分析与预测研究 2004
3.张国营;傅国利 盾构法施工过程的有限元模拟[期刊论文]-岩土工程技术 2007(06)4.张云 盾构法隧道的位移反分析及其工程应用[期刊论文]-南京大学学报 2001(03)5.周秀普 盾构隧道掘进的隆沉控制与优化研究 20066.Peck RB;Yeates Tunneling in soils7.刘建航;侯学渊 盾构法隧道 1991
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