砂性土层大直径浅埋隧道掘进试验及离散元模拟

发布时间：2021-06-07 23:16

　　隧道断面的增大致使盾构施工的风险增大,尤其是高水压砂性土层,大直径浅埋隧道盾构对周边岩土体的扰动以及土层变形的影响是目前需要研究的新课题。本文以武汉地铁7号线大直径越江隧道段为工程背景,建立了大直径浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型,采用螺旋出土盾构设备（包含螺旋杆、螺旋出土器及套筒）,以恒定的推进速率进行了隧道掘进,并且对地表沉降进行了监控。同时,本文建立了同尺寸的浅埋隧道盾构掘进离散元模型,对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数以及黏结破裂区域进行了分析研究,并与室内试验结果进行了对比分析。结果表明:地表竖向位移与室内试验结果吻合度较高,盾构掘进地表各点处的沉降均随着掘进距离的增大而增大;盾构掘进影响区域主要分布在隧道顶部至地表、一定范围内的周边土体以及开挖面前方一定范围内的盾构区域;颗粒接触点处的黏结破裂区域主要分布在盾构区域和隧道顶部区域。 

【文章来源】：地下空间与工程学报. 2020,16(05)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

室内试验缩尺模型

为了控制土层的密实度以及土层中的沉降变化，对模型进行分层装样。对于隧道顶部以下的土层，每层厚度为55 mm;而隧道顶部土体，每层厚度为20 mm，用以观测盾构掘进过程中地表及隧道周边土层的扰动情况。装样后的覆土厚度0.5D的模型试样如图2(a)所示。在图2(b)中，试样正处于固结状态，加载板作用于模型顶部，用以替代因模型无法密封而无法维持恒定水位的水压力。模型顶部安置6个位移计，其中4个位移计分布在隧道中心线两侧160 mm处(点A、B、D、E，其中AD、BE间距为300 mm),2个位移计位于隧道中心线上(点C、F,CF间距为300 mm)。在0.5D的工况下，水压力为7.79 k Pa，根据模型顶部固结面积为0.324 m2，因此，配重块重量为252 kg。盾构掘进过程中依据推进距离停顿，总推进量500 mm，每10 mm停顿一次，并读取模型顶部各位移计的读数。

如图3(b)所示，模型顶部D、E点处的竖向位移随着掘进距离的增大而增大。随着盾构设备的掘进，开挖面距D、E两点所在竖向截面的距离越来越近，当开挖面与其两点的竖向截面距离小于150 mm时(即掘进距离大于150 mm)，该两点的竖向位移增大趋势逐渐放缓。当盾构掘进至D、E两点处的竖向截面位置时，该两点的竖向位移相等，最大沉降量与隧道中心线对称分布。由隧道两侧的土体变形可知，在盾构设备掘进过程中，隧道两侧土体在掘进距离100～150 mm处沉降最快。由于在掘进过程中开挖面的支护压力始终保持为恒定值，而隧道两侧土体依旧发生变形，由此得知盾构掘进过程对开挖面前方一定范围内的土体存在扰动影响。如图4所示，在初始开挖面上方F点处地表沉降随着掘进距离的增大逐渐增大，其沉降量高达20 mm。距离初始开挖面320 mm土层地表C点处，其沉降量较小，但沉降量同样随着掘进距离的增大而增大。F点处沉降量较大的原因主要是在盾构掘进过程中，初始开挖面上方的土层始终处于被扰动状态，隧道顶部的土层产生大量裂隙，发生变形、分层等现象，如图5(a)所示。盾构结束时，将螺旋出土器拔出约束筒后，套筒的位置如图5(b)所示。


本文编号：3217489