CN113255037A

CN113255037A - 一种上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法

Info

Publication number: CN113255037A
Application number: CN202110549976.4A
Authority: CN
Inventors: 雷军; 李加辉; 邓尤东; 彭斌; 周永波; 于广明; 杨子汉; 丁红军; 苏赐从; 张树光
Original assignee: Qingdao University of Technology; China Construction Fifth Engineering Bureau Co Ltd
Current assignee: Qingdao University of Technology; China Construction Fifth Engineering Bureau Co Ltd
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-05-20
Also published as: CN113255037B

Abstract

本发明公开一种上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，包括两个部分的计算：一部分是上软下硬地层条件下管片上浮量的计算，另一部分是浆液浮力引起管片结构上浮量的计算，两部分上浮量叠加即可得到该特殊条件下管片结构的上浮量。第一部分的计算采用有限元软件建立地层‑结构模型，以上下地层弹性模量的比值为变量进行分析，从而得到上浮量与上下地层弹性模量比值的关系；第二部分的计算采用有限元软件建立荷载‑结构模型，以管片结构上下浆液压力的比值为变量进行分析，从而得到上浮量与上下浆液压力比值的关系。后续实际工程可根据上述关系对该地层条件下管片结构的上浮量进行估算，且可通过两部分上浮量的大小来合理选择控制管片上浮的措施。

Description

一种上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法

技术领域

本发明属于双模盾构隧道管片上浮方面的技术领域，具体涉及一种上软下硬地层条件下，浆液浮力导致盾构隧道管片上浮量的新型估算方法。

背景技术

随着地下交通方式的快速发展，地铁隧道的数量也随之攀升，考虑到地质条件复杂多变，故地铁隧道线路规划时不可避免的会穿越上软下硬地层，而管片结构也因此产生新的受力及变形形式，故管片结构的受力及变形规律研究就提上日程。

上软下硬地层条件下，管片结构的上浮机理主要有三个方面：一是上下地层弹性模量的比值较大，故隧道开挖卸荷时，下部地层因地应力的释放会产生一个向上的附加应力；其次，盾尾空隙的浆液具有一定的流动性，故而导致管片结构上下位置处的浆液压力大小不一致；再者，上覆软土在隧道开挖卸荷后会产生隆起现象，该部分土体的隆起为管片结构的上覆提供了空间。由上述分析可知，上软下硬地层条件下，盾构管片在浆液浮力的作用下会出现较大的隆起量，影响施工过程的人员及财产安全，故对于管片上浮量的确定就显得尤为重要。

目前，对于管片结构上浮量的计算主要是从宏观方面出发，实际分析管片的受力特征，浆液粘聚力采用牛顿内摩擦进行确定，从而建立平衡方程进行计算，得出管片的上浮量。但该方法并未考虑隧道开挖卸荷后因上下地层弹性模量差值较大而产生向上附加应力以及上覆软土隆起的影响，且未从微观的角度考虑卸荷后地层的附加应力，故结果偏离实际。且对管片结构的上浮量进行计算时，往往不考虑管片结构拱顶处浆液压力的影响，仅考虑管片结构拱底处的浆液浮力，不符合实际情况。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提出一种上软下硬地层条件下双模盾构隧道管片结构上浮量的新型估算方法，并分别确定地层性质以及浆液浮力两部分引起的管片结构的上浮量，以作为选择控制管片上浮措施的依据。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，包括以下步骤：

步骤A、基于上软下硬地层性质影响，建立地层-结构模型，并对地层-结构模型进行分析计算；

步骤B、根据步骤A的地层-结构模型分析计算结果，得到管片上浮量与地层弹性模量比值之间的关系；

步骤C、基于浆液浮力影响，建立荷载-结构模型，并对荷载-结构模型进行分析计算；

步骤D、根据步骤C的荷载-结构模型分析计算结果，得到管片上浮量与浆液浮力之间的关系；

步骤E、将步骤B和步骤D得到的两部分上浮量叠加，得到上软下硬地层条件下盾构隧道施工师管片结构的上浮量。

进一步的，所述步骤A中，在建立地层-结构模型时，具体包括以下步骤：

(1)地层采用修正摩尔-库伦弹塑性本构进行网格划分，并在土层与岩层分界面以及地层与管片结构分界面之间施加滑动接触约束及界面单元；

(2)在模型横断面方向施加X方向的约束力，在隧道纵断面方向施加Y方向的约束力，在下表面施加固定端约束，上表面为自由面。

进一步的，所述步骤A中，对地层-结构模型进行分析计算时，依次定义岩土体物理力学参数，施加边界约束和滑动接触约束条件以及界面单元，定义岩土体自重应力，设置施工阶段并进行计算，具体包括：

(1)初始地应力的计算，并将该阶段计算得出的位移清零，以模拟地层的初始应力场；

(2)将隧道内的开挖土体钝化，并激活相应的管片结构，以模拟隧道的开挖施工过程，以得出不同施工阶段下隧道管片结构上浮量。

进一步的，所述步骤B中，采用origin软件对管片上浮量与上下地层弹性模量比值间的关系进行函数拟合，从而得到管片结构上浮量与上下地层弹性模量比值之间的关系式。

进一步的，所述步骤C中，在建立荷载-结构模型时，主要包括以下步骤：

(1)建立梁-弹簧单元，即管片结构采用梁单元进行模拟，管片环与环之间的螺栓连接采用弹簧进行模拟，弹簧的刚度系数即为螺栓的刚度，该部分采用点弹簧来模拟管片结构之间的螺栓连接；

(2)管片与岩土体之间的连接通过曲面弹簧来进行模拟，弹簧的刚度系数即为地基的反力系数，即结构模型与地层间的联系采用曲面弹簧来模拟地层对管片的反作用。

(3)浆液的浮力作用以分布力的形式作用在管片结构上。

进一步的，所述步骤C中，在构建荷载-结构模型时，还包括：

(1)将步骤A中模型分析计算得出管片结构所受的土压力，以分布荷载的形式施加在荷载-结构模型中的二维管片结构上；

(2)将步骤A中模型分析计算得出的因地层性质而引起管片结构的变形量以强制位移的形式施加在二维管片结构上，保证管片结构的应力场与位移场与地层中的管片结构相一致；

(3)将步骤A中模型分析计算得出的地基反力系数作为荷载-结构模型中曲面弹簧的刚度系数，以确定荷载-结构模型的边界。

进一步的，所述步骤D中，采用origin软件进行函数拟合，得到管片结构上浮量与浆液压力比值之间的关系。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案依托地层-结构法的特点，创造性地将地层性质(上覆软土的隆起、开挖卸荷后产生的附加应力)作为影响因素考虑在管片上浮量计算部分之内，计算结果更为精确，且通过对模拟结果进行函数耦合得到管片上浮量与上下地层弹性模量比值之间的关系式，进而对管片上浮量进行估算；将管片结构上浮的影响因素分为地层性质因素与浆液浮力因素两部分，并分别进行计算，现场施工时可根据两部分的上浮量估算值合理的选择控制管片上浮的措施，如浆液浮力较大时，可将锚杆打入下部岩土层中，减小隧道上浮量；

为将浆液压力对管片结构的影响考虑在内，依托荷载-结构法的特点，建立模型进行分析，并通过对模拟结果进行函数耦合得到管片上浮量与管片上下浆液压力比值之间的关系式；进而对上软下硬地层条件下，管片结构的总上浮量进行估算，且根据两部分上浮量的估算值可合理的选择管片结构上浮的控制措施，以指导双模盾构隧道的安全施工。

附图说明

图1为本发明实施例浆液初凝前后分布示意图，其中左图为浆液初凝前，右图为浆液初凝后；

图2为本发明实施例上软下硬地层隧道开挖后地层附加应力示意图及管片上浮机理图；

图3为本发明实施例浆液浮力分布示意图及管片上浮机理图；

图4为管片结构上浮量现场监测数据图；

图5为本发明实施例所述估算方法的流程框图；

其中，1、管片；2、围岩；3、浆液；4、软土；5、硬岩；6、隆起。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

由管片结构上浮量的现场监测数据(图4)可以看出，中风化岩地层中管片结构的上浮量明显大于微风化岩地层中管片结构的上浮量，且管片结构在由硬入软段的上浮量增加，在由软入硬段的上浮量减小。由上述变化规律可知，围岩的性质对管片结构的上浮量有较大的影响。故本发明考虑地层性质及浆液浮力两部分影响因素，提出一种上软下硬地层条件下盾构隧道管片结构上浮量新型估算方法。本方案的工作原理在于：依托上软下硬地层条件下管片结构上浮的机理，将管片的上浮量分为两部分计算，并采用有限元软件分别建立地层-结构模型、荷载-结构模型，然后对模拟计算结果进行函数耦合，得到上浮量与上下地层弹性模量比值以及上浮量与管片上下浆液压力比值的关系式，两部分上浮量的叠加即为上软下硬地层条件下隧道施工管片结构的上浮量，如图5所示，具体包括以下步骤：

步骤E、将步骤B和步骤D得到的两部分上浮量叠加即可估算得到上软下硬地层条件下盾构隧道施工师管片结构的上浮量，并根据现场监测数据对该计算方法估算得出的上浮量进行对比验证。

具体的，由于上浮软土在隧道开挖卸荷后，因附加应力的作用而出现压缩现象，进而导致管片结构发生一定的上浮量。故所述步骤A基于上软下硬地层性质进行管片上浮量的计算过程中，为将上软下硬地层的性质作为影响管片上浮因素考虑在内，依托有限元软件，建立地层-结构三维模型进行分析，在建立三维模型时，需要确定模型的边界条件，模型建立过程中，地层采用修正摩尔-库伦弹塑性本构进行网格划分，并在土层与岩层分界面以及地层与管片结构分界面之间施加滑动接触约束及界面单元；另外，因模拟时假定地层为半无限空间体，故在模型横断面方向施加X方向的约束力，在隧道纵断面方向施加Y方向的约束力，在下表面施加固定端约束，上表面为自由面。综上，依托上述设定条件建立三维数值模型，依次定义岩土体物理力学参数，施加边界约束和滑动接触约束条件以及界面单元，定义岩土体自重应力，设置施工阶段并进行计算。

考虑到土层与岩层之间以及地层与结构之间的相对位移以及附加应力作用下上述两者之间因竖向位移的不均匀性而出现的不同的变形形式，故为符合实际情况，需强调的是，对三维地层-结构模型处理过程中，需注意以下情况，具体为：

(1)建模过程中在土层与岩层分界面以及地层与管片结构分界面处添加滑动接触分析与界面单元，即采用滑动接触分析用来模拟地层之间以及地层与结构之间在切向的相对滑动效应；

(2)其次，界面单元的特点为切向滑移、法向分离、挤压但不贯穿，故在土层与岩层之间以及地层与结构之间施加界面单元来模拟地层之间以及地层与结构之间因弹性模量差异而造成的不均匀位移；

(3)再者，由于隧道上覆软土在开挖卸荷后附加应力的作用下，会产生较大的压缩量，进而为管片的上浮提供了空间条件，故上浮量计算时应将地层的压缩特性考虑在内。而为了更好地模拟地层的压缩行为，应考虑岩土体的压缩破坏屈服面，且修正摩尔-库伦本构模型可以模拟不受剪切破坏压缩破坏的双硬化行为，故采用修正摩尔-库伦弹塑性本构关系来划分地层的单元属性。

另外，在步骤A中，对地层-结构模型的分析过程主要包括两个方面：

(1)初始地应力的计算，并将该阶段计算得出的位移清零，以模拟地层的初始应力场，减小模型的计算误差；该部分的目的为分析地层中的初始应力，从而分析隧道开挖过程中地层应力的变化情况；位移清零的目的在于清除地层初始位移场对隧道开挖卸荷后管片结构位移场的影响；

(2)将隧道内的开挖土体钝化，并激活相应的管片结构，以模拟隧道的开挖施工过程；该部分的目的在于模拟隧道的开挖过程，以得出不同施工阶段下隧道管片结构在Z方向的位移值(管片结构上浮量)。

此处，采用地层-结构法建立模型的数值计算结果(土压力、位移及地基反力系数等)可应用于荷载-结构法模型的建立中。

本实施例中，结合现场实际工况确定软土地层的弹性模量，本实施例取4500kPa；其次，设定上下地层弹性模量的比值，本实施例依次取为1、5、10、50、75、100，共计六个工况，即根据此比值确定下卧地层的弹性模量；然后，采用有限元软件建立三维地层-结构模型进行分析，即采用三维实体单元对地层进行模拟，采用二维板单元对管片结构进行模拟，并进行计算。

步骤B中，根据地层-结构模型的模型分析计算结果，得出了上下地层弹性模量比值不同的六组工况所对应的管片结构上浮量，然后，采用origin软件或其他函数拟合软件对上述六组数据进行线性或非线性(指数函数、幂函数、高斯函数以及对数函数等)拟合，若上述六组数据所对应的曲线较为复杂，可采用分段函数拟合的方法进行处理，对管片上浮量与上下地层弹性模量比值间的关系进行函数拟合，从而得到管片结构上浮量与上下地层弹性模量比值之间的关系式。在进行模型分析计算时，具体采用何种方式进行函数拟合，为比较成熟的技术手段，在此不做限制，。

步骤C中，主要研究不同浆液浮力下，管片结构的上浮量的变化趋势，为此，基于地层-结构模型的部分计算结果来建立荷载-结构三维模型，在建立荷载-结构模型时，包括以下步骤：

(1)建立梁-弹簧单元，即管片结构采用梁单元进行模拟，管片环与环之间的螺栓连接采用弹簧进行模拟，弹簧的刚度系数即为螺栓的刚度，该部分采用点弹簧来模拟管片结构之间的螺栓连接；(2)管片与岩土体之间的连接通过曲面弹簧来进行模拟，弹簧的刚度系数即为地基的反力系数，即结构模型与地层间的联系采用曲面弹簧来模拟地层对管片的反作用，从而将三维实体地层简化；(3)浆液的浮力作用以分布力的形式作用在管片结构上；

依托上述条件建立模型进行数值计算，得出浆液浮力作用下，管片结构在Z方向的位移值(管片上浮量)。

正如前面所述，这里可通过步骤A中计算得出管片结构所受的土压力，然后以分布荷载的形式施加在荷载-结构模型中的二维管片结构上；计算得出的因地层性质而引起管片结构的变形量以强制位移的形式施加在二维管片结构上，从而保证管片结构的应力场与位移场与地层中的管片结构相一致，进而减小计算误差。其次，地层-结构法得出的地基反力系数可作为荷载-结构法中曲面弹簧的刚度系数，从而确定模型的边界。

本实施例中，结合现场实际工况确定管片结构所受的浆液浮力(如0.2Mpa)；设定管片结构上下浮力的比值依次为1、1.5、2、2.5、3，共计五个工况；然后，采用有限元软件建立三维荷载-结构模型进行分析，即将地层对管片结构的作用以曲面弹簧及荷载的形式表示，浆液浮力以荷载的形式施加在管片结构上，并以点弹簧模拟管片之间的螺栓连接，并进行计算。

步骤D即可根据荷载-结构模型的分析计算结果，得出浆液比值不同的五组工况所对应的管片结构上浮量，采用origin软件或其他函数拟合软件对上述六组数据进行线性或非线性(指数函数、幂函数、高斯函数以及对数函数等)拟合，若上述六组数据所对应的曲线较为复杂，可采用分段函数拟合的方法进行处理，从而得到管片结构上浮量与浆液压力比值之间的关系式。

步骤E中，将步骤B及步骤D两部分管片结构的上浮量进行叠加即可得到上软下硬地层条件下，隧道施工引起管片结构的总上浮量。

本方案将地层的性质作为管片上浮量计算的一个因素考虑在内，基于分析管片上浮的机理，将上浮量分为两部分，并借助有限元软件进行计算分析；最后对数值模拟计算结果进行函数拟合，确定上浮量与上下地层弹性模量比值以及上浮量与上下地层浆液压力比值之间的关系式，最后将两部分管片结构的上浮量进行叠加即可得到上软下硬地层条件下，隧道施工引起管片结构的总上浮量。工程上可将该方法得出的管片结构总上浮量计算值与现场施工过程中管片结构上浮量的控制值进行对比，以此来预测现场施工的安全性与稳定性。当计算值超过控制值时，可将该方法中得到的两部分管片结构上浮量作为管片结构上浮控制措施的选取依据，从而得到更为经济有效的处理方式。例如，当浆液浮力引起管片结构的上浮量较大时，优先选用锚杆锚固在岩土层中的处理方法来减小管片结构的上浮量；当因地层性质较差而导致管片结构的上浮量较大时，优先采用施做超前小导管或管棚超前注浆等处理方法来控制管片结构的上浮量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤E、将步骤B和步骤D得到的两部分上浮量叠加，得到上软下硬地层条件下盾构隧道施工时管片结构的上浮量。

2.根据权利要求1所述的上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，其特征在于：所述步骤A中，在建立地层-结构模型时，具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，其特征在于：所述步骤A中，对地层-结构模型进行分析计算时，依次定义岩土体物理力学参数，施加边界约束和滑动接触约束条件以及界面单元，定义岩土体自重应力，设置施工阶段并进行计算，具体包括：

4.根据权利要求3所述的上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，其特征在于：所述步骤B中，采用origin软件对管片上浮量与上下地层弹性模量比值间的关系进行函数拟合，从而得到管片结构上浮量与上下地层弹性模量比值之间的关系式。

5.根据权利要求3所述的上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，其特征在于：所述步骤C中，在建立荷载-结构模型时，主要包括以下步骤：

(3)浆液的浮力作用以分布力的形式作用在管片结构上。

6.根据权利要求5所述的上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，其特征在于：所述步骤C中，在构建荷载-结构模型时，还包括：

7.根据权利要求5或6所述的上软下硬地层双模盾构隧道管片上浮量新型估算方法，其特征在于：所述步骤D中，采用origin软件进行函数拟合，得到管片结构上浮量与浆液压力比值之间的关系。