富水砂层中盾构施工引起的土体应力变化规律

王建军 丁洲祥 刘 辉

1 工程概况

广州市地铁某施工段线含有富水砂层的达到上千余米，区间途经农田、鱼塘及市政道路和绿化带，地处广花冲积盆地，由于地质条件和环境条件的复杂，对工程安全和质量以及对周边环境的影响提出了很高的要求。本文将通过数值模拟方法对盾构施工引起的土层应力变化规律进行分析，并与实测结果进行对比，可供类似工程施工中减少地层扰动作参考。

2 盾构掘进引起的土体应力变化数值模拟

2.1 有限元模拟的建立

地铁断面有限元模型尺寸为长80 m，宽25 m，高25 m的三维网格。左右两边限制单元节点 X方向位移，下边界限制节点Y方向位移，前后限制节点Z方向位移，经过优化后的有限元网格如图1所示。

2.2 数值模拟结果分析

1)土压力。由图 2，图3可以看出，数值模拟得出的土压力变化规律与实测的变化规律大致相似，在整个盾构掘进过程中，土压力的变化共分为三个阶段:a.显著增长阶段，切口临近断面至盾体通过断面时，土体先后受到土仓压力的挤压作用，盾体的摩擦剪切作用使得其受扰动严重，土压力上升;b.波动阶段，盾尾脱离断面时，受壁后注浆的影响，土体应力有一定的波动，其峰值往往在这个阶段产生;c.恢复阶段，盾尾脱离断面后盾构掘进对土体的影响弱化，土压力逐渐减小，但比盾构通过断面以前有一定增加。

2)孔隙水压力。由图 4，图5可以看出，数值模拟的孔隙水压力与实测得出的变化规律大致相同。从上面各图中可以看出，孔隙水压力的变化规律和土压力大致一样，整个掘进过程中处于掘进上升、停止下降的波动循环中。总体而言可分为三个阶段:缓变段——盾构切口距离断面15 m时，波动范围在 5 kPa之内;显变段——切口临近至盾尾过后3 m大概12 m范围内，波动峰值约20 kPa;消散段——盾尾远离，这时掘进的影响已经很微弱。

3 结语

1)当切口达到断面前，土压力的变化值很小，但总体上呈现随着盾构的靠近土压力增大的趋势。切口经过断面时，土压力达到一个较大的波动值，然后有小幅度回落。这主要是因为切口逼近时对土体的挤压和形成超孔隙水压力致使土压力大幅度上升，当切口推进一环时要停机进行管片拼装，对于砂土一旦停止掘进，超孔隙水压力会迅速消散，使得土压力有所回落。而后再次推进，到盾尾通过时，土压力会再次波动到一个较大的水平，甚至超过切口达到时的土压力值。从监测情况来看，同一个孔埋深越大，土压力的变化值也越大。同一深度土体，离隧道越近，土压力变化值也越大。2)孔隙水压力的变化规律与土压力基本类似。切口接近监测断面时，孔隙水压力呈现上升的趋势。在盾构到达并通过期间，孔隙水压力有明显的增加。盾尾通过后，孔隙水压力还有一次较大的波动，并在此阶段达到峰值。埋深越大，孔隙水压力变化幅度也越大。与土压力明显的区别在于，孔隙水压力的回落非常快，而且回落幅度也很大，基本在切口通过断面25 m之后，能回落到初始水平附近。3)超孔隙水压力和土压力变化的实测结果表明:土压力与孔隙水压力是同步增加的，说明土体中土压力增加是超孔隙水压力产生的原因。隧道顶和肩部的土体扰动程度较大，隧道底部土体的应力扰动程度较小，越往地表，土体的应力扰动程度越小。

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