第１５卷２００２年 中国公路学报Ｃｈｉｎａ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ ａｎｔｉ ＴｒａｎｓｐｏｒｔＶｏｌ． １５Ｏｃｔ． ２０Ｎ０ｏ２．文ｔｔ编号：ｔｏｏｔ－７３７２（２００２）０４－００６２－０４盾构施工对隧道围岩内力和地层变形的影响丁春林’ ，周书明“，周顺华‘（１同济大学铁道建筑工程系，上海２００３３１： ２．中铁隧道集团设计院，河南洛阳４７ｔ０００）摘要：针对大连路越江随道工程特点，采用弹塑性有限元法分析预测质构施工对隧道围岩内力和地层变形的影响；以便施工时采取有效技术措施，减少对周围环境的影响，确保隧道施工安全关键词：质构施工；围岩；地层；内力；变形中图分类号：１１４５５． ４３文献标识码：ＡＳｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＇ｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓｉｎｎｅｒ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｓｔｒａｔｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＤＩ ＮＧ Ｃｈｕｎ－ｌｉｎ＇，ＺＨＯＵ Ｓｈｕ ｍｉｎｘ＂ＺＨＯＵ Ｓｈｕｎ－ｈｕａ＇（ １． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒ，ｉｔｙ． Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００３３１， Ｃｈｉｎａ；２． Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏ．，Ｃｈｉｎａ Ｒ． Ｍ．，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０００， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｄａｌｉａｎ ｒｏａｄ ｔｕｎｎｅｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｉｖｅｒ， ａｕｔｈｏｒｓ ａｎａｌｙｓｅ ｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＇ｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ｉｎｎｅｒ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｓｔｒａｔｕｍｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．ｓｏ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ， ａｎｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｄｕｒｉｎｇｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ； ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ； ｓｔｒａｔｕｍ； ｉｎｎｅｒ ｆｏｒｃｅ； ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ般包括施工变形、后期固结和蠕变变形等。当盾构推进过程中，开挖面洞周土体受到较大扰动或对盾尾空隙未及时注浆发生较大移动时，开挖面因土体扰动、土体应力释放产生的弹塑性变形和盾尾空隙填０引言 大连路越江隧道是上海市新交通路网建设中－座越江公路隧道，隧道沿线在繁华的市区道路和密集的建筑物下穿过，并且穿越黄埔江两岸根据隧道充不足或不及时岩土体应力释放产生的变形Ｌ＇．ｚ〕在整个变形中将占有较大比重。特别是在江中段施工，由于不存在降水施工，土体固结沉降变形影响很小．所以地层变形仍以盾构施工中土体应力释放产生的所穿越地层的水文、地质、地理条件，决定采用盾构法施工，盾构管片衬砌采用钢筋混凝土装配式衬砌，错缝拼装；衬砌环外径为０１１． ０４０ ｍ，衬砌厚度ｔ５＝５５ ｃｍ弹塑性变形为主。笔者采用平面弹塑性有限元理论，计算过程中，只考虑盾构施工过程中土体应力释放 由于该隧道直径大，穿过繁华的市区，且在江中埋深浅，因此，盾构施工时地层变形和围岩受力大小将直接影响到地面建筑物、构筑物、地下管线的安全使用和隧道的安全施工。为了确保隧道施工安全和满足城市环境保护的要求，分析预测盾构施工对其影响的程度及影响范围显得很有必要盾构在施工过程中，围岩和地表产生的变形－ 收稿日期：２００１１２－２７作者简介丁容林（１９６８），男。安激无为人．同济大学讲帅，工学硕｝荷载产生的影响。ｔ计算理论用有限元法模拟盾构隧道施工过程首先是确 定计算范围，然后将计算范围内的岩土体用有限元网格离散，再在开挖面边界各网格节点上施加地层第ａ期丁春林，等：盾构施工对隧道围宕内力和地层变形的影响释放应力荷载。边界条件模拟见图１，上边界为自由边，取至地表；另三边为约束边，约柬边至隧道中心距离为隧道跨度或直径的３＾－５倍，两侧边为滚动图１边界条件模拟约束，底边为固定约束。计算过程中，假定隧道周边岩土体是各向同性、连续的弹塑性材料。材料塑性屈服准则采用Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ准则，弹塑性问题求解方法选用增量初应力法，初始地层应力计算只考虑土体自重应力Ｌ３司。１．１ Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ塑性屈服准则 Ｍｉ，一‘凳压）’午Ｄｒｕｃｋｅｒ－ＰｒａｇｅｒＤｒ ｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ屈服准则考虑了静水压力对岩土屈服的影响，其屈服面在７ｒ平面上是ＭｏｈｒＭｉｓｅｓ（｝ｆ） ｃＭｏｈｒ－ＣｏｕＩｎｍｈＣｏｕｌｏｍｂ屈服面的内切面见图艺，屈服表达式为图２儿种翎服推则关系Ｆ二．Ｉ，＋石２一ｋ（飞） 式中：ａ＝ｓｉｎ甲了了ｆ干ｓｉｎ场’倪一；＿了万ｃ一‘二二ｃｏｓｒｐ；１１，丫３＋ｓｉ ｎ＇，ｑ、１，分别为应力张量第一不变量和应力偏张量第二不变量，ｃ． ｑ，分别为岩土的枯聚力和内摩擦角。１．２本构关系根据弹塑性理论， 岩土材料进入屈服后，在荷载增量作用下，应变增量可分为弹性应变增量和塑性应变增童两部分，即 ｄ（ｅ｝＝ｄ （ｅ｝＇一＋ｄ（ｓ）Ｄ （２）式中：弹性应变增量ＣＯ由虎克定律确定，即ｄ（ ｅ）＝仁ｎ〕一’ｄ（ａ） （３）塑性应变增量ｄ｛目Ｄ由流动法则确定，即ｄ（ｅ｝Ｄ＝ｄＡ（４）ｄｉａｌ熏式中：ｄＡ为塑性乘子；Ｇ为塑性势函数，其表达式为Ｇ（ａ，ＩＩ）一。，Ｎ为硬化参数。根据硬化定律和加载条件，可推导出应力增量 与应变增量的关系为 ｄ｛ａ）＝（［Ｄ］一［ＤＤ］）ｄ （ｓ）＝［Ｄ，］ｄ｛Ｅ｝ （５）式中：巨几，」为弹塑性矩阵；仁Ｄ〕为弹性矩阵；［ｎ，］为烟性矩阵，且｛［刀〕』１．２ｒＤｏｌ一１一！一汾一派，一十Ａ十－汾题醋（６）式中：Ａ为反映硬化条件的参数，采用塑性功品，硬化定律时，月＝＿Ｊ竺｛刁０＇ｎ｛ａ｝ｒＪＩ 毛Ｉ－ｔｉ，对于服从相关流动法则的材料，塑性势函数与屈服函数相同，即Ｇ三厂，于是塑性矩阵为、。一［Ｄ］， ｀， １７ＩＦ “＋｛ 粼（７）１．３弹塑性问题求解方法一增ｆ初应力法 增量初应力法求解弹塑性问题的特点是收敛性好。其基本要点是采用增量加载，在各级荷载下，用初应力法进行迭代求解，使其收敛于该级荷载下的真实应力增量｛Ｌｏ｝和位移增量｛△。｝，各级荷载Ｆ的总位移增量和总应力增量由累加求得，即于一１十｛ｄｕ ｌ｝一十｛△。｝（８）求解过程中，对于每一级荷载或每次迭加的附 加荷载，首先以线弹性方法求解节点的位移增量和单元的应变增量及应力增量，即：［ｋ］， （ａｕ｝一（ＡＲ｝＋｛．＇Ｍ ｝ｏ‘，｛△￡｝＝｛Ｂ｝｛ｏｕ，｝，｛ ，ａ｝一｛Ｄ｝｛△。｝；再根据求得的各单兀当前应力值｛△。｝＝｛ａ；｝，斗王Ａａ， ），并按相应的塑性条件，判别各单元是否屈服，对于屈服单元，修正其应力增量，计算出初应力｛Ａａｎ ｝，一｛Ｄａ，｝。一｛△。』｝，＝（Ａｕ，｝，一＇Ｄ，，］｛△：｝，屈服单元的实际应力｛△民｝二｛Ａａ， ），卜｛，｝ａ，｝，＝｛４｝一｛△口。｝；最后由计算单元的初应力｛。。。，计算单元的等效附力口荷载（＇Ｒ“一上〔。〕・（ Ｄａｎ Ｉ ，ｄｖ，并按节点累加得到系统总体附加荷载｛ＡＲｌｏ，在｛ＡＲ｝。作用下，重复计算、直到所有单元收敛于规定的精度，再施加下一级荷载增量，至全部荷载增量计算完为止。上述各式中：［ｋ丑。为线弹性刚度矩阵；（ＡＲ｝为施加荷载增量；（ＡＲ儿一’为由初应力转化而得到的等效节点力，亦称矫正荷载；１、ｊ分别为荷载增量次数、迭代次数１．４初始应力计算和施工过程应力释放计算（ｓ］ 由多层岩土组成的地层，对于平面应力问题，土体内某点初始地层应力为ａ，。一Ｇ． Ｙ，ｈ，，。。一Ａａ，。一１ － ｋａ。ｃｓ＞隧道在施工过程中必然导致沿开挖边界仁各点 的应力释放，当释放值等于该点的初始地层应少Ｊ时，假定沿开挖边界上两相邻节点之间的初始应力呈线性变化，如图３所示，则对于任一开挖边界点；，开挖中国公路学报２００２年中一小部分，其释放值大小与施工力法、地质条件和 盾尾空隙填充情况等多种因素有关，大多依靠经验 估算也有学者提出其应力释放值与位移释放有关， ＿！设Ｕ，）为开挖面某点在时刻，沿径向于．发生的位厂． 移， “‘．：．一为该点在无支撑状态卜的最终位移，则、一位移释放率引起的等效释放荷载（等效节点力）为Ｕ．（１，．，，ｒ Ｓａ．对应的应力释放率８＝扩、！．ｌｅｓ（１２）一Ｐ ：一；［２ａ； （ｂ，，ｂ，） ＋ａ；；＇＇，十、＇ｂｌ ＋２ｒｉ，（ｕ，ｔａｚ）＋ｒ＇，：｝ｕｚ－Ｉ－Ｙ，ｖ＇ａ｝｝释放应力（１０））十。犷’ａ＋。丁’ａ＋，、一青［２ｃ｝，（一“。２７＇ （ｂ， ＋ｂ２） ＋哎＇ｂｚ＋ｔ＿＇ｂ，］式中：ＲＥ ［ｏ，门为施工参数，与地质条件、施工方法有关；ａ，。为开挖面计算用地层释放应力；ａ。为初始地层应力；式（１１）中的初始地层应力应该用地层释放应力来替代式中：ｉ，ｉ－１，ｉ＋１为沿开挖边界卜的有限元网格节点号，若原始应力场为均匀应力场，且ｚ，ｙ轴同应力主轴重合，即：‘二‘’一。犷’二‘ｏ＋ａｒ＝ａ犷’－ ｄ＋，一Ｊ洲，则上式简化为ｐ 、一１２。一（“＋ｂｚ），ｐ；一２ ａ． （ａ，＋一）（１１）式中：ａ， ａ，。为初始地层应力。但盾构在施工过程中，初始地层应力只释放其 一“＿＿围，划分网格，建立有限元计算模型；其次是计算出表１土层物理力学参数指标及土性描述Ｘ怂；ｒ次 Ｐｅｓ、ｗｅｌ２工程实例分析 考虑到大连路越江隧道沿线建筑物和隧道埋深情况，本次计算选取深覆土浦东段（埋深２３ ｍ）和浅搜土江中段（埋深６．ｓｍ）作为控制下况，两控制工况计算断面见图４，各土层材料力学参数指标见表１［Ｃ。分析过程是：首先根据隧道洞径，确定计算范含水量压缩模全孔隙比产直接快剪强度 岩土分层ｉｆｉ卜名称Ｗ了》／ｇ・ｃｍ３Ｅｓｃ卫 ／ＭＮ枯聚力／ｋＰｎＳ０一％ｉｔ石 ｃ／ｋＰｎ ｐ，１１＋｝１｝１ｐ ｝／０Ｚ０． ０一 ①②③诬；ａｌ７杂填＿Ｌ褐黄一灰黄色粉质粘土２７．５４２．３２８．９４９．７． １９０１７８１．９１１．７１１．７８１．Ｒ３２． ００１． ８７１． ９２｝０８ｌ还竺塑１梦少竺灰色粘土 １． １９０．８２ｒ３９５６． ８１Ｉ １３０一｛２“‘２２． ０１０４］２＿５１６．６１２． ０１５．幻１．４１王卫６０． ９９１９８ ３９． ８３３２２４．０２９８４． ２６６． ９７Ｄ）． ０２３ｔ日３４０ ｖ ２Ｃｒ７）－２１协：灰色粉质拈土暗绿￣草黄色拈土草黄色砂质粉上草黄色粉细砂一。．７６０． ９０一 ３１． ５２６． １１０．４６１２．４８２． ０３２．０一２＿０３３． ５隧道中心处初始地层应力二Ｔ。和ｐｖｏ；再根据初始地层应力荷载释放大小，将释放荷载等效施加在开挖边界各节点，分析地层应力释放对隧道围岩内力和地层变形的影响。另外，根据上述地层应力荷载释放公式（１２），经初步估算，深覆土浦东段和浅覆上江中段其地层应力荷载释放分别为８．０％和６．５％，考虑到计算公式中含有许多不确定因素如地质条件、施工方法、注浆等，所以木次研究将它们的计算结果与地层应力释放１０％的计算结果进行比较，经计算分析，开挖面地层各特征点位移见表２，地层变化和围岩塑性分布见图５，６３结语 ｃ１）盾构穿越浦东段、地层应力释放达到８％时，地面沉降约２２ ｍｍ，地面影响范围在隧道中心两侧５０ｍ左右，围岩内无塑性屈服区；当盾构施第４期丁春林，等：质构施工对随道围岩内力和地层变形的影响表２开挖面地层各特征点位移下汉释放荷载拱顶竖向拱底竖向了花移／ｍｍ位移２ｍｎｉ左侧拱腰右很１拱脸离洞中心日ｍ处地表而或河休底离洞巾心左侧即Ｉｎ离洞中心左侧３５ｍ处地表血或河床底竖向位移了ｍｍ水平位移／ｍｍ 水平位移！＂ ＂ｎ１一５．吕１０．２ 一２＿６处地表面或河床底竖向位移／ｍｌｌ里』一６１０土释放８％地应力１ １３．６｛斗Ｓ． Ｈ段－一咋￣释放１０万地应力一一＋１７．６一＋以ｒ． ５＋２．６日释放Ｇ． ５％地应力Ｌ 段一杯放ｌｌｏ／ｏ地应力Ｇ４． ２｛斗１１． ９一，ａ． ０３２１０．． ７ｔｆ３５５６． ９３注拱项、拱底、地表位移止表示向卜，负表币向卜；左侧拱腰位移正表示向洞内，石侧供胜位移负表示向洞内一牛三超挖和对地层的扰动，及时对盾尾空隙同步注浆，同 时对施工影响范围内（５０ ｍ作控制区）的重要建筑：刃二琴云Ｉ炸 ３｝， １Ｖ物进行跟踪监测，以确保隧道施工安全和减少对周围环境的影响。Ｎ７０． ０阮一－－一２旦０一Ｗ深提上浦东段ｆｂ〕钱扭土江中段 （２）盾构穿越江中段、地层应力释放达到６．５％和１。％时，隧道开挖面洞周围岩变形较深覆土浦东段小，影响范围在隧道中心两侧只有３０ ｍ左右，土体均没有出现塑性屈服，但隧道顶上方河床沉降变形大。所以，在盾构推进前，可在河床地段抛石或抛泥袋，以增加施工期间的覆土厚度，同时要增加壁后同步注浆量，以改善洞周土体强度图４隧道地层横断面／ｍ书ｆｆｆｆＭ（旧户策彻上ｔ０ｉ东仁呈（ｈ）浅１Ｇ上‘丁一段参考文献刘建航侯学渊．盾构法隧道「Ｍ］．北京中国铁道出版社，１９９１． ３２９－４１９．图５释放１０％地应力时地层变形放大里垂一重县自抖洲麟斜瀚胜封丰目斗ａ不！二１月月二卜白１升由俪丽１浴再再裕羹羹瓢慧户尹旅超，朱振宏，李玉珍，等．日本隧道盾构新技术［Ｍ］湖北：华中理工大学出版社，１９９９． ５４一６５．匡叫潘昌实．隧道力学数值方法「Ｍ习．北京：中国铁道出版社，１９ ９５． ６７－９６．（；０ ｝． ｒｋ Ｊ油东段（ｂ）浅自上‘１．曰没丁春林．支护与加固期间复线隧道围岩稳定性因隶分图６释放１０男地应力时隧道的岩塑性区分布 析［Ｊ７．岩土Ｚ程学报，１９９８， ２０ （） ； ６２－６６．川困工、地层应力释放达到１０写时，地面沉降达到３１ｍｍ，地面影响范围在扩大，围岩变形明显增大，开挖面洞周２－３ ｍ内土体产生塑性屈服。所以，在盾构施工过程中，应随时调整盾构施工参数，减少盾构周维恒．高等岩石力学〔Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９０． ８７－１３２．丁春林宫全美．上海市大连路越江隧道衬砌内力计势及地层变形分析「Ｒ］．上海同济大学路基与土工技术研究所，２０００． １ －３３．
