实施超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定分析

实施超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定分析 实施超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定 分析 第42卷第8期 2009年8月 天津大学 JournalofTianjinUniversity ,b1.42No.8 Aug.2009 实施超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定分析 高健,张义同 (天津大学机械1二程学院,天津300072) 摘要:超前注浆管棚支护是一种避免在软土地层或含水地层中盾构隧道开挖面失稳的有效技术.本文同时考虑地 下水水位和注浆管棚长度的变化,通过将渗流分析的结果施加到应力分析之中,采用流固耦合数值计算方法得到作用 在隧道开挖面的极限支护压力.研究发现,超前注浆管棚支护对高地下水地层中维持开挖面稳定的极限支护压力影响 明显,采用该技术后作用在开挖面上的渗透力显着降低 关键词:超前注浆管硼支护;开挖面稳定;渗透力;耦合分析 中图分类号:TD853.34文献标志码:A文章编号:0493—2137(2009)08—0666—07 StabilityAnalysisofTunnelFaceReinforcedwithAdvancedPipeGrouting tong GAOJian,ZHANGYi— (SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China) Abstract:Theadvancedpipegroutingisaneffectivetechniquetoavoidtheinstabilityofshield —tunnelingfacesinsoftor water—bearingground.Inthispaperboththevariationsofwaterlevelandlengthofpipewereconsider ed,thehydraulic— mechanicalcoupledanalysiswasimplementedtOobtainthesupportpressureontunnelfaces bysuperposingtheresultsofthe seepageanalysisontheresultsofthemechanicalanalysis.Thestudyrevealsthattheinfluence oftheadvancedpipegrouting onthesuppo~pressurerequiredforthestabilityofthetunnelfaceinhighwaterlevelissignifica nt,andthereisasignificant reductionofseepageforcesbyadoptingthetechnique. Keywords:advancedpipegrouting;stabilityoftunnelface;seepageforce;coupledanalysis 在地质环境富水且地下水水位比较高的情况下, 进行地铁隧道]一程开挖时,地下渗流对地下隧道r程 施工有很大影响.为保证隧道开挖面稳定和周围建筑 物的安全,一些辅助的支护技术如超前注浆管棚支 护,超前小导管和开挖面安装水平锚杆等被广泛应用 于高地下水,沙性土壤的隧道盾构施工过程中.深圳 地铁大剧院站至科学馆站区间以及广州地铁3号线 等采用注浆管棚和超前小导管技术,保证了隧道施工 的顺利进行01-2]. 新的支护技术会对开挖面的稳定产生影响,支护 压力大小的控制应该保证不至于压力过低而发生开 挖面坍塌,同时又不能压力过大而发生隆起破坏.因 此,超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定性分析具有 重要的意义.本文中考虑注浆管棚长度及地下水水 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通讯作者: 位变化等因素对隧道开挖面稳定性进行了分析:?采 用土体极限平衡『3垂直条分法计算作用在隧道开挖 面的有效支护压力;?使用数值分析方法计算稳态 地下水流条件下隧道开挖面附近的渗流孔隙水压 力[6-7].隧道开挖面的稳定取决于作用于土骨架有效 支护压力和由水头差引起的作用在开挖面的渗透 力.以深圳地铁大剧院站至科学馆站区问隧道]程 为例,使用流固耦合数值模拟计算保证隧道开挖面稳 定的极限支护压力,给出地下水条件下实施超前注浆 管棚支护的隧道支护压力与开挖面变形的关系. 1隧道开挖面稳定分析 1.1超前注浆管棚支护 隧道超前注浆管棚支护是沿初期支护外轮廓线 2008—06.10;修回日期:2009—02—16. 斟家"973"重点基础研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目(2007CB7140131). 高健(1978一),男,博士研究生,daiyulin12@163corn 张义同,ytzhang@tju.edu.cn. 高健等:实施超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定分析?667? 按一定仰角向开挖而打入钢管并进行注浆.该技术 充分填充土体的空隙,在隧道开挖面前方形成一个环 向加阎层,改进了隧道周陶土体的力学特性和不可渗 透性.它主要适用于浅埋软弱罔岩,砂层,砂卵石层, 断层破碎带以及高地下水位,大面积淋水或涌水的隧 道.图1给出了隧道开挖面超前注浆管棚支护示意. 其中,G为开挖面前方注浆管棚长度,D为隧道直 径.土体采用Mohr—Coulomb本构模型,岩土材料在 孔隙中含有流体时,材料特性由有效黏聚力C和有效 内瘁擦角给. I.!一 (a)纵截mi (b)横截面 图1超前注浆管棚支护示意 Fig.1Schematicdiagramofatunnelwithadvanced pipegrouting 1_2垂直条分法 采用超前注浆管棚支护,开挖面前方滑动体的七 覆土压力和由渗透力引起的作用在滑动体顶面的垂 直应力由注浆管棚承担.根据开挖喵破坏模式研究, 建立考虑管棚支护的垂直条分几何模型如图2所示, 其中滑动面假设为直线.网中,为破坏面与水平面 夹角,P为作用在隧道开挖面的支护力,n为滑动体 划分成条块的数日. I 玎挖 ?_? / 1/ 图2垂直条分几何模型 Fig.2Geometricmodelforslicemethod 图3给出了采用垂直条分法时土条i的受力情 况.图中,W『为土条自重,为作用在土条i滑动面上 的剪切力,?f为作用在土条i滑动面t的法向力," 和分别为作用在土条顶部和底部的孔隙水压力, 和分别为土条右侧和左侧的切向条问力,和 E.分别为土条右侧和左侧的法向条间力;为土条底 部长度.基于土体稳定的极限平衡原理,建立土条水 平和垂直方向的静力平衡方程为 f巨十COSGc—Er—Nisin=0r1, IX1一X+"tcos+一sin—NiCOS=0 根据有效应力原理,岩土材料在孔隙中含有流体 时,土的抗剪强度由有效应力决定.因此,作用在土 条i滑动而七的剪切力为 =c'l+(?一)tan(2) 通过对土体样本进行三轴固结不排水实验得到有效 应力强度指标c利. 假设土条两侧的切向条问力大小相同,方向相 反,则有 X一X=0(3) 考虑式(2)和式(3),对式(1)中的第2式进行整 理,得到作用在单位土条i滑动面卜_的法向力 ?:竺二二!(4) COSoc(1+tantan) 考虑整个土体平衡,有 ?(,I一,r)=0(5) 再考虑单位土条水平方向静力平衡方程,得到作用在 隧道开挖面支护力的解析 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式 p-?{?,sina—+()tan,]COs)=0(6) 综合式(4)和式(6),作用在隧道开挖面上的支护 压力可以表示为 :一 PZ{Nisina-[c'li+(Ni-ubili)tan(p']cosa}r/,仃=一, 图3土条受力模型 Fig.3Forcesactingonatypicalslice , ? 668?天津大学第42卷第8期 某一破坏面与水平面夹角的开挖面支护压力 确定后,需改变倾角角度求解新的支护压力,重复这 一 过程直到支护压力取得最大值,该值即为维持开挖 面稳定的极限支护压力. 1.3渗流分析 在水头差的作用下,流体可以透过土体孑L隙而产 生流动.当隧道在低于地下水位的地层中开挖时,地 下水流人隧道开挖面,会在开挖面附近产生水头差, 由于水头差而作用在土骨架上的力称为渗透力,其方 向为地下水流动的方向.对于土体骨架承担的有效 应力来说,被视为附加力的渗透力很可能影响到隧道 开挖支护与开挖面的稳定.因此,为计算作用在隧道 开挖面的渗透力,需求解饱和土体渗流的平衡方程得 到隧道开挖面附近的孔压分布和水头分布场. 使用数值计算软件FLAC3D求解稳态地下水条 件下隧道开挖面周围的孔隙水压力和总水头分布.三 维渗流分析模型如图4所示.其中,c为隧道的埋深; 为地下水至隧道顶部高度. 地 图4三维渗流分析模型 Fig.4Three—dimensionalmodelingforseepageanalysis 图5和图6分别为采用注浆管棚支护后隧道开 挖面附近典型的孔隙水压力等值线图和水头等值线 图,图6中标出了渗透力的方向. 单位体积土体中,渗透水流对于土颗粒骨架的托 拽力在X,Y,z轴上的分量和分别为 =一r ,, ~h/Ox }:一rh| {=一rwOh/Oz 式中:h为总水头;,为水的容重. 对开挖面前方滑动体上单位体积渗透力的体积 分应用Gauss理论,得到作用在滑动体上渗透力的水 平分量和垂直分量表达式,即 sx(r(-sinad+Jhds)SlS2 (8) 图5开挖面附近孔压等值线图(单位:kN) Fig.5Contourofporepressure(unit:kN) 图6开挖面附近水头等值线图(单位:m) Fig.6Contouroftotalheads(unit:m) :(.【)=rw(cosaIhds—Ihds)(9) l2 式中:l为土体破坏滑动面;S2为隧道开挖面;h为 楔形体内部沿X方向的平均水头,表示为 =7z(=1t'DI2(_工z)d(10) 考虑式(8)和式(9),得到由水头差引起的作用在 土骨架上的平均渗透力为 s=() 2支护力估算 采用深圳地铁大剧院站至科学馆站区间沙砾层 土体材料参数,选择的隧道截面为环形,隧道直径D 为5.0m,土体材料特性由表1给出.干燥土壤中支 护压力的估算采用土体的干容重,地下水位下支护 压力的估算采用土体的浮容重/. 高健等:实施超『ji『注浆管棚支护的隧道开挖面稳定分析?669? 表1土体材料特性 Tab.1Materialpropertiesoftheground 干容重rd/(kN?m.)饱和容重‰t/(kNm.)浮容重r/(kN.m一)f有效黏聚力c/(kN?m) 有效内摩擦角/(.) 182313Jof25 考察C/D=3,GID=2时平均渗透力和极限支护压 力随H/D的变化规律,如图7和图8所示.从图7中 可以看出,平均渗透力随地下水水位的升高而增加. 从图8可以看出,开挖面极限支护压力随地下水水位 的升高而增加,当D=3时,维持开挖面稳定的极限 支护乐力几乎为H/D=0.5时支护压力的2.5倍.虚线 标出不采用超前注浆管棚支护(G/D=0)时极限支护 压力的变化曲线,采用注浆管棚使极限支护压力降低 5%. 沂3 图7平均渗透力与HID的关系 Fig.7RelationbetweenaverageseepageforceandH/D 图8极限支护压力与H/D的关系 Fig.8RelationbetweenlimitsupportpressureandH/D 图9和图10分别给出C/D=3,G/D=2时渗透力 比(平均渗透力与静水压力比值)及平均渗透力与 极限支护压力比值0随H/D的变化曲线.从图9可以 看,地下水位的变化对渗透力比的影响较小,几乎 为常值.虚线给不采用超前注浆管棚支护(G/D=0) 时渗透力比随H/D的变化曲线,注浆管棚有效降低 了地下水渗流对隧道开挖面稳定性的影响.从图10 可以看出,渗透力是极限支护压力的主要部分,随着 地下水位的升高,渗透力在极限支护压力中的比值呈 升高趋势,当地下水与地表高度一致时,渗透力占到 极限支护压力的80% 图9渗透力比与H/D关系 Fig.9RelationbetweenseepageforceandHID 图10平均渗透力与极限支护压力比值0随H/D的变化情况 Fig.10Variationoftheratioofaverageseepageforceand limitsupportpressurewithH/D 考察C/D=3,,D=3时(地下水位接近地表)渗透 力比和极限支护压力随G/D的变化规律,如图11和 图12所示.从图11可以看,不采用注浆管棚时渗 透力比达到28%,采用注浆管棚支护技术使渗透力比 降低到21.5%.当G/D>2时,注浆管棚支护对渗透力 比的降低不明显.从图12可以看,采用注浆管棚支 护时,作用在隧道开挖面的极限支护压力显着降低, 当G/D>2时,极限支护压力变化较小,几乎为常值. 综上所述,高地下水位的砂质土层进行隧道开挖 时,渗透力对开挖面稳定性的影响不可忽略.超前注 浆管棚技术有效地降低了渗透力对隧道开挖面稳定 性的影响,提高了开挖面的稳定性.同时,注浆管棚 承担了开挖面前方土体的上覆土压力和由渗透力引 起的作用在土体顶面的垂直应力增量,维持隧道开挖 面的极限支护压力显着降低.但注浆管棚的长度与 隧道直径相关,当支护长度大于隧道直径2倍以上 时,注浆管棚的支护效果不明显,建议根据实际工程, 取注浆管棚长度在隧道直径的1.5,2倍. ? 670?天津大学第42卷第8期 图l1渗透力比与G/D的关系 Fig.11RelationbetweenseepageforceratioandG/D 图l2极限支护压力与G/D的关系 Fig.12RelationbetweenlimitsupportpressureandG/D 3流固耦合分析 3.1分析方法 数值计算软件FLAC3D模拟流体通过可渗透固 体的流动;流体建模可单独完成,也可同力学建模并 行完成,以便获得流固耦合作用效果.首先,执行渗 流分析,将各节点的孔隙水压力和总水头存储起来; 然后,通过总水头值计算各个节点的水头梯度值7,将 计算得到的渗透力7r作为节点力存储起来;最后,将 渗流分析得到的渗透力作为力的边界条件施加到应 力分析中.这一分析过程严格来讲是先进行渗流分 析,后进行应力分析.因为渗流分析和应力分析使用 相同的网格划分方法,且渗流分析得到的节点的渗透 力被作为边界条件施加到应力分析的结果上,实质上 还是一种流固耦合的相互作用分析. 深圳地铁大剧院站至科学馆站区间隧道有几处 含水丰富的砂层,由于工程位于市中心区,对地表沉 降有较严格的限制.为了保证施工以及周围建筑物 的安全,隧道施工期间,在透水性较强的砂砾层,砾质 黏性土中的隧道周边围岩进行超前注浆管棚支护.具 有代表性的典型地质断面地层岩性从上至下分别为 素填土,砂砾层,砾质黏性土,全风化花岗岩,强风化 花岗岩和中风化花岗岩.隧道直径为6ITI,隧道埋深 为12.0m,地下水位(地下水距地表)为4.0ITI.含地下 水的砂土地层考虑为摩尔一库仑材料,管片材料为 C50钢筋混凝土,厚度为0.351TI,管片单元采用壳单 元,注浆管棚的长度为l2.5m.表2给出了流固耦合 分析时采用的材料特l生.数值计算模型见图13,模型 除地表面为自由面外,四周采用变形约束条件.为研 究隧道开挖面的行为并获得保证开挖面稳定的极限 支护压力,最后一步开挖前所有节点的位移被置零, 将渗流分析得到的结果作为边界条件施加到应力分 析的过程中.在隧道开挖面上施加支护压力,通过逐 步减少支护压力来达到开挖面的失稳. 表2耦合分析的材料特性 Tab.2Materialpropertiesofcoupledanalysis 侧向土压渗透系数材料 El 晕 (k 性 N:)凇 (k 奋重 N~m-lj)c/(kN.m),(.)力系数(10 m?S..) 砂砾25000O.3418.0lI.O25.000.582.7 砾质黏性土17700O.2318.522盘26.780.550.1 管片34500000.1724.5 预支护105000000.2525.0 超觞注浆管棚 图13流固耦合的数值计算模型 Fig.13Numericalmodelofcoupledanalysis 3_2计算结果与分析对比 图14时给出了采用超前注浆管棚支护技术前后 处于失稳状态时隧道开挖面附近位移等值线图.从 图14(a)可以看出,开挖面失稳变形模式表现为开挖 面前方为楔形体,破坏区域顶部为烟囱状,位移等值 线表明开挖面附近土体沉降量大于地表.从图14(b) 可以看出,由于采用超前注浆管棚支护技术,滑动体 上覆土压力和由渗透力引起的垂直应力增量由预支 护承担,隧道开挖面顶部至土体表面没有明显的位移 产生,地表沉降得到有效的控制. 高健等:实施超前注浆管硼支护的隧道开挖面稳定分析 (a)无顶支护 图l4位移等值线图 Fig.14Contourofdisplacement 图15给出了采用超前注浆管棚支护隧道开挖面 附近处于塑性区的单元随支护压力的变化情况.从冈 中可以看}}J,随着支护压力的减少,处于塑性区的单 元不断增加,但增加速度较慢.当支护压力减少到 11.35kN/m时,塑性区急剧扩大,土体处于破坏的临 界点.继续减小支护乐力,土体进一步破坏.由于超前 (b)超前注浆管棚支护 注浆管棚有效地降低了渗透力对隧道开挖面稳定性 的影响,承担了上覆土压力和渗透力引起的垂直应力 增量,开挖面的稳定性明显提高.表现在开挖面的前 方土体破坏后,随着支护压力的减少,塑性区不再急 剧扩张,处于塑性区的单元集中在开挖面前方5,6 m的范围内. (b)支护压力为13.24kN/m (c)支护压力为l】.35kN/m(d)支护压力为9. 45kN/m2 图15处于塑性区的单元随支护压力的变化情况 Fig.15Variationofplasticelementswithsupportpressure 为确定开挖面的极限支护压力,根据计算结果绘 出隧道开挖面中心点水平位移随支护压力变化的曲 线,如图16所示.从图中可以看,当支护压力减少 到11.35kN/m时,隧道开挖面中心水平位移急剧增 大,达到1.58m,故可以判断维持开挖面稳定的极限 支护压力约为11.35kN/m.图15和图16中给出的 土体失稳状态与周小文等[91利用离心模拟试验模拟 不同土样条件下开挖面失稳的结果一致.当作用在隧 道开挖面的支护压力降低到某个临界值,隧道周围土Fig,16 体发生破坏,流固耦合的分析结果符合隧道开挖面失 挖嘶,'rfI,JJ/(kNilI 图16支护压力与开挖面水平位移关系 Relationbetweensupportpressureandhorizontal displacementattunnelface ? 672?天津大学第42卷第8期 稳的规律. 考虑表2中的土体材料特性,使用垂直条分法计 算作用在隧道开挖面的极限支护压力,图16中标出 的垂直条分法计算结果为15.45kN/m.与流固耦合 数值分析对比,考虑地下水渗流时通过垂直条分法得 到的极限支护压力与流固耦合分析结果接近,但数值 偏大.离心试验和数值模拟【lUI证实隧道埋深在一定 范围(C/D<6)内时利用土体稳定的极限平衡和极 限分析法计算的临界土压力值远大于模拟试验的 值.该工程隧道埋深与洞径比为2,误差处于合理的 范同内. 4结论 (1)超前注浆管棚结构有效降低了渗透力对隧道 开挖面稳定性的影响,提高了开挖面的稳定性. (2)注浆管棚结构承担了开挖面前方土体的上覆 土压力和由渗透力引起的作用在土体顶面的垂直应 力增量,维持隧道开挖面的极限支护压力显着降低. (3)注浆管棚的长度与隧道直径相关,当管棚长 度大于隧道直径2倍以上时,注浆管棚的支护效果不 明显. (4)以正在施的隧道为例,使用流固耦合数值 模拟分析了考虑地下水时支护压力与开挖面变形的 关系,给出隧道开挖面失稳的规律.垂直条分法的计 算结果较流固耦合数值分析的结果偏大. 参考文献: [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 吴波,高波,索晓明.地铁隧道开挖与失水引起地 表沉降的数值分析[J].中国铁道科学,2004,25(4): 59—63.1l0J WuBo,GaoBo,SuoXiaoming.Numericalsimulationof landsubsidenceeffectinducedbymetrotunnelexcava— tionandwaterloss[J].ChinaRailwayScience,2004, 25(4):59—63(inChinese). 黄正荣,朱伟.浅埋砂土中盾构法隧道开挖面极限支 护压力及稳定研究[J].岩土工程,2006,28(11): 2005—2009. HuangZhengrong,ZhuWei.Studyonlimitsupporting pressureandstabilizationofexcavationfaceforshallow shieldtunnelsinsand[Jj.ChineseJournalofGeotechni— calEngineering,2006,28(11):2005—2009(inChinese). ChambonP,CorteJF.Shallowtunnelsincohesivesoil: Stabilityoftunnelface[J].JournalofGeotechnicalEn— gineering,1994,120(7):1148—1165. LecaE,DormieuxL.Upperandlowerboundsolutions forthefacestabilityofshallowcirculartunnelsinfric— tionalmaterial[J].G~otechnique,1990.40(4):581-606. Broerew.Facestabilitycalculationforaslurryshieldin heterogeneoussoftsoils[J].TunnelsandMetropolises, 1998:2l5—218. AnagnostouG,KovariK.Facestabilityconditionswith earth—pressure—balancedshieldslJJ.Tunnellingand UndergroundSpaceTechnology,1996,11(2):165—173. LeeIM.NamSW,AlanJH.Effectofseepageforceson tunnelfacestability【J].CanadianGeotechnicalJournal, 2004,19:273—281. LeeIM.NamSW.Thestudyofseepageforcesactingon thetunnelliningandtunnelfaceinshallowtunnels【J]. TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2001, 16(1):31-40. 周小文,濮家骝.砂土中隧洞开挖引起的地面沉降试验 研究[J].岩土力学,2002,23(5):559—563. ZhouXiaowen,PuJialiu.Centrifugemodelteston groundsettlementinducedbytunnelinginsandysoillJ]. RockandSoilMechanics,2002,23(5):559—563(inChi— nese). 秦建设.盾构施工开挖面变形与破坏机理研究[D].南 京:河海大学土木工程学院,2005. QinJianshe.SoilDeformationandFailureMechanismof ShieldExcavation[D].Nanjing:SchoolofCivilEngi— neering,HohaiUniversity,2005(inChinese).