隧道盾构施工方法及其应用

第4章隧道盾构施工方法及其应用知识要点：;盾构施工方法简介;盾构隧道施工过程的有限元模拟方法;反映施工质量的等代层模型;盾构法施工的非线性有限元模型;工程概述及有限元模型的建立;施工过程描述;计算结果分析本章导读：本章介绍了采用大型有限元软件ABAQUS进行盾构隧道动态开挖施工过程三维仿真分析，主要包括盾构隧道施工过程的有限元模拟方法、反映施工质量的等代层模型、盾构法施工的非线性有限元模型、工程概述及有限元模型的建立、施工过程描述和计算结果分析等。在计算结果分析中就围岩塑性区演化、孔隙压力分布、围岩应力场分布及变形进行了分析，并讨论了隧道施工质量对围岩稳定性的影响。4.1盾构施工方法简介随着地下空间的不断开发，盾构施工技术得到越来越广泛地应用，其中土压平衡式盾构掘进技术以其快速、环保及对周围环境影响较小等优点而被广泛应用于隧道工程。自盾构法问世以来，研究和预测盾构推进对周围环境的影响始终得到工程界的重视。盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修建隧道的方法。盾构机的盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳；所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆。盾构法隧道施工的研究在国内外得到了广泛的重视，Finno.R.J经现场实测表明，可采用纵、横向二个方向的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程。Lee.K.M发展了一种用于模拟施工工序、后续地层位移、隧道开挖面周围及地表的应力状态对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元方法。朱合华采用平面应变分析方法对盾构施工过程进行了模拟分析。孙钧对上海地区软土盾构隧道施工过程中不同受力阶段以及地表沉降次固结问题，进行了有限元数值分析。王敏强采用三维非线性有限单元法进行分析，采用迁移法模拟盾构推进过程。盾构施工过程中的盾尾空隙大小、注浆充填程度、隧道周围土体的扰动程度与范围，很难量化，为了方便地模拟这些因素的影响，张云、季亚平和刘元雪等将衬砌周围的土体与注浆情况概化为一均质、等厚的等代层。姜忻良等以天津地铁工程为背景并利用单元生死技术模拟了盾构开挖过程。张志强建立了模拟盾构机（包括刚度、自重和推力）前行掘进隧道的三维有限元模型，并应用于南京地铁隧道工程。朱合华针对盾构隧道的施工阶段、注浆材料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法，应用于大阪地铁7号线盾构隧道施工的力学分析中。张海波提出了一种能够综合考虑各种因素的盾构隧道施工的三维非线性有限元模拟方法，包括对材料性态、载荷条件和盾构分步连续推进。盾构法施工是一个非常复杂的过程，它对周围环境的影响与施工的主要技术环节密切相关。早在1969年Peck就指出盾构法施工引起的地层损失以及对相邻结构的影响与施工的具体细节是分不开的。因此，理论分析时只有准确把握盾构施工的主要因索才能得出符合实际情况的结果。盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节：（1）土体开挖与开挖面支护土压平衡式盾构施工过程中，通过切削刀盘的切削前方土体。挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排土量的多少则是通过螺旋排土器的转速来调节。因为土压平衡式盾构机是借助土压舱内土体压力来平衡开挖面土水压力的，为使土压舱压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度，来保持挖土量和排土量保持平衡。（2）盾构掘进与衬砌拼装盾构依靠千斤顶推力作用向前推进。盾构推进过程中需要克服开挖面土体压力、侧面土体摩擦阻力和内部机械设备阻力，盾构的总推力必须根据各种阻力的总和及其所需要的富裕量决定。推力过大会使正面土体因挤压而前移和隆起，而推力过小又影啊推进速度。千斤顶推动盾构前进后，依次收缩千斤顶在盾构内部拼装衬砌。（3）盾尾脱空与壁后注浆千斤顶推动盾构机向前推进时，使得本来位于盾构壳内部的拼装衬砌脱出盾壳的保护，在衬砌外围产生建筑空隙（其体积等于盾壳对应圆筒体积与盾尾操作空间体积之和），引起较大地层损失，如图4-1所示。如不采取补救措施会引起很大的地层位移和地面沉降。壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于盾尾空隙而产生的地应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。壁后注浆有通过在盾构壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式两种，其中同步注浆更有利于沉降的控制。图4-1盾尾空隙与壁后注浆4.2盾构隧道施工过程的有限元模拟方法4.2.1盾构法隧道的施工过程盾构推进引起的围岩稳定性有明显的三维特性，与盾构自身的特性属性（刚度、自重、推力等）、施工进程以及具体操作密切相关（图4-2）。盾构前行开挖面盾构机衬砌管片注浆体盾尾空隙开挖面应力释放掘进引起的挤压侧向挤压界面摩擦力侧向挤压浆体凝固图4-2盾构掘进引起的围岩压力变化情况对由盾构法施工引起的围岩性质变化主要分为以下四个阶段：（1）盾构开挖阶段施加推进载荷后，刀盘切割土体，应力释放，盾构开挖面的土压力与后方的支护压力以及盾构机与土层之间的摩擦力保持平衡，沿盾构机长度，周围土体的地应力因盾构机的刚性支护不会释放。盾构向前推进时盾构机与周围土体之间发生错动，周围土体对盾构产生摩擦力，周围土体受到盾构机的剪切和挤压作用。为了减小盾构机的摩阻力以使盾构机能够顺利前行，通常盾构的刀盘外径大于盾构机的外径，从而在盾构机外围产生一定厚度的间隙。（2）盾尾注浆阶段为减少因空隙引起的围岩变形，在盾尾脱离前，盾构推进的同时向盾尾空隙压注混凝土浆体。注浆压力与土体性质、隧道埋深、盾构机型、管片性质以及浆液材料等有关。（3）盾尾脱开阶段因盾尾脱开，衬砌与土层间的空隙将闭合，土体向盾构空隙位移量的大小与土体的性质、浆体力学性质、土体受扰动程度及浆体充填程度等有关。（4）土体固结沉降阶段注浆体随时间的凝固土体的固结将引起管片与地层相互作用。随着浆体的凝固，地层的变形渐渐受到约束而将载荷传递给衬砌，另外，围岩的变形因土体的固结而随着时间增大。4.2.2盾构隧道施工过程的模拟方法盾构前行实际上是盾构刚度和荷载的迁移，在盾首和盾尾预设单元，采用单元激活与杀死的方法处理单元刚度的变化，开挖面推进时，盾首逐渐深入，盾尾逐渐脱出。盾构前行的同时，盾构附属的其他结构包括载荷也必须前行。将盾构推进作为一个非连续的过程来研究，每次向前推进的长度为一个管片单元的宽度，同时变换单元材料。每顶近1环，盾首前方的开挖面土体单元和预设单元变为盾构单元和超开挖间隙单元，盾构壳尾部单元变为盾尾空隙单元；而盾尾的空隙单元变为浆体单元，同时沿开挖方向激活1环管片单元（图4-3）。管片单元盾构单元土体单元土体单元盾尾空隙单元浆体单元操作空隙单元超开挖空隙单元图4-3盾构施工单元材料示意图4.3反映施工质量的等代层模型盾尾空隙主要由三部分组成：一部分是盾壳厚所占的体积；一部分是为了方便衬砌组装而预留的操作间隙；另一部分是刀盘超开挖间隙。在盾构法隧道的有限元分析中，衬砌管片与围岩之间的注浆体的处理是问题的关键，也是问题的难点。目前常用的处理方法主要有四种：（1）认为注浆体完全充填于盾尾空隙，围岩没有向盾尾空隙径缩；（2）不考虑注浆作用，认为围岩直接与衬砌相互作用；（3）不考虑注浆作用，认为围岩的径缩量等于盾尾空隙；（4）将实际的注浆层厚度看成盾尾空隙的折减，认为注浆层的厚度小于盾尾空隙。（a）盾尾空隙结构示意图（b）等代层模型超开挖间隙盾构壳厚度对应间隙操作间隙等代层衬砌图4-4盾构空隙等代层模型在影响围岩稳定性的各因素中，土体及衬砌材料的力学性质可通过试验测定，难确定的是盾尾空隙、土体向盾尾空隙的自然充填及注浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度和范围。在实际施工中，要对它们分别进行量化是难以达到的，为此将它们概化为一均质、等厚、弹性的等代层，如图4-4所示。等代层的厚度可取为：δη=⋅Δ（4-1）式中，Δ为盾尾空隙的理论值，包括超开挖间隙、盾构壳厚度对应间隙以及操作间隙；η为折减系数，取值范围为0.7~2.0，对于硬土层，取下限，对极软的土层取上限。在盾构法隧道的有限元分析中，正确选定等代层参数非常重要，目前对等代层参数的取值还是经验的、近似的，在有实测位移资料时，可利用实测位移对等代层参数作反分析，以取得较符合实际的计算参数。4.4盾构法施工的非线性有限元模型隧道盾构施工中盾构机渐进向前，周围土体则是相对静止的。有限元法难以做到完全模拟盾构的连续推进过程，必须作一定的简化。通常将盾构推进作为一个非连续的过程来研究。假设盾构一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进的长度（纵向）恰好为一个衬砌单元宽度，用改变单元材料的方法（刚度迁移法）来反映盾构的向前。这与在模拟基坑开挖时每一级开挖掉一层网格以及模拟土石坝、路堤填筑时每一级荷载增加一层网格的处理方法是相似的。盾构向前推进过程中周围土体的边界条件（位移边界、荷载边界）发生变化，导致土体应力状态发生改变，将这种变化转化为相应的节点荷载作用于节点，进行有限元计算，对边界条件的合理模拟直接影响计算结果。4.4.1材料性态的模拟在模拟盾构施工时，不同位置单元材料示意图如图4-3所示，通过变换相应位置单元的材料反映盾构向前推进。（1）岩土体材料目前，在土工计算中广泛采用的各向同性模型有两大类，一类是弹性非线性模型，如Duncan-Chang模型，该模型比较简单，易于考虑土体的初始应力状态，计算参数容易确定，在实际应用中较为普遍；另一类是弹塑性模型，两者都反映了土的非线性应力一应变关系特性，比较常用的是Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型。（2）盾壳和衬砌的处理将盾壳和衬砌管片视为弹性材料，根据钢和混凝土的弹性模量和泊松比计算单元刚度。（3）间隙单元间隙单元包括：刀盘超挖间隙单元、盾尾操作间隙单元和盾尾脱空间隙单元。采用低模量的软材料来模拟，弹性模量一般取为岩土体的10-5倍。（4）被开挖掉的单元对被挖掉岩土体单元的处理，ABAQUS采用单元杀死的方法模拟，其实质为把挖掉单元视为“空气单元”，将其模量取为极低值。（5）开挖面卸荷单元为了模拟盾构开挖面卸荷引起的岩土体位移，在盾构开挖面前方设置卸荷单元，并认为卸荷单元由于刀盘的扰动破坏，其弹模有较大程度的降低，近似认为弹模变为原来的1/2。（6）桨液单元和硬化桨液单元注浆材料的强度会随着时间的增加而增加，为了模拟注浆材料不同阶段的力学性质，对注浆材料不同凝固阶段的试样进行无侧限抗压强度试验，可以得到注浆材料不同龄期的抗压强度和弹模。对于盾尾同步注浆材料的模拟，根据其实际的凝固过程，分为三种：①液体注浆材料，将其视为有内压的低刚度材料；②短期固化注浆材料，其弹模取为经过24小时固化后浆体的弹模；③长期固化注浆材料，其弹模取为经过28天固化后浆体的弹模。4.4.2有限元控制方程对大变性问题的处理分为三种方法：完全拉格朗日法、更新拉格朗日法和欧拉法。因拉格朗日法的坐标附着在物质点上，易于引入本构关系和处理自由表面外载问题，因此土工分析中多采用此种方法。拉格朗日法以增量方法求解，即从时刻t到时刻tt+Δ求解期间，必须先选定一个已知状态的构形作为参照构形，以定义克希霍夫应力张量（Kirchhoff）和格林应变张量（Green）。完全拉格朗日法取00t=时刻的构形作为参照构形，而更新拉格朗日法在时步[],ttt+Δ增量求解期间的所有变量，均以这个时步的开始时刻t的构形作为参照构形来定义[14]，随着时步的变化，参照构形也在不断改变[15]。本文采用更新拉格朗日法建立黏土介质大变形渗流-应力耦合分析模型，在分析区域内假定岩土介质的骨架为均质弹塑性体，孔隙水流动服从达西定律。1.物质描述的大变形控制方程在饱和岩土体中，用克希荷夫应力张量表示的总应力增量表示为：ijijijowSSpδ′Δ=Δ+Δ（4-2）式中ijS为定义在初始构形上的克希荷夫应力张量，ijS′为相应于克希荷夫应力张量ijS的有效应力张量，owp是定义在初始构形上的与克希荷夫应力张量ijS相适应的孔隙水压力。增量形式的平衡条件为：0