盾构施工对注浆材料变形计算的研究.pdfVIP

盾构施工对注浆材料变形计算的研究 付磊 河海大学岩土工程研究所，南京（210098 ） 摘 要：假定土体不排水固结和线弹性，利用弹性力学的Mindlin 解，推导了盾构机正面附 加推力以及机壳与土体之间的摩擦力引起的地层附加应力场的计算公式，该方法适用于施工 阶段。所得土体应力场在拟和应力释放曲线下释放，得到注浆材料在土体应力历史作用下的 变形规律。 关键词：掘进；挤土效应；mindlin 解；应力释放；应力历史 1. 引言 作为城市地下铁道广泛采用的施工方法——盾构法，在施工过程中，围岩和地表产生 的变形主要有施工变形和后期固结、蠕变变形。施工变形包括：降水施工产生的压缩、固结 变形、掘进对土体的扰动、地应力释放土体产生的弹塑性变形, 以及注浆材料在土压力作用 下的变形[1] 。盾构机在推进的过程中,随着盾尾空隙的闭合及注浆材料的灌入，盾尾空隙的注 浆会引起地表隆起，之后注浆材料在周围土压力的作用下产生变形。如果注浆材料注入的太 多或太少，那么地表将一直处于隆起状态或沉陷状态，而适合的注浆量灌入后可以先产生隆 起，之后注浆体的变形促使地面下沉，从而可以减小地表的最终沉降，所以注浆量的大小和 注浆材料的最终变形对地表位移起到重要的控制作用。 注浆材料在土压力的作用过程是个变力的过程，所以土压力的应力历史将影响到注浆材 料的变形。盾构掘进时，由于土体与机壳之间的摩阻力和正面附加推力将会产生挤土效应， 促使土体产生附加应力，引发新的应力场分布。之后因为盾构机的构造和盾尾脱空，土体应 力释放，此过程中由挤土引发的附加应力逐步消散，最终应力场恢复到原始地应力场。由此 可见盾构掘进产生的挤土效应和之后的应力释放过程控制着土体的应力场变化。 2. 挤土效应对初始地应力场的改变 本文主要研究盾构掘进机在直线顶进情况下的挤土效应，不考虑掘进机偏斜和注浆压 力[2]掘进机与土体之间的摩阻力按滑动摩擦进行作简化处理，正面附加推力作用在开挖面 上。盾构掘进是典型的三维问题，土体附加应力场和变形与盾构机的相对位置密切相关，本 文推导的是在盾构通过时开挖面上的二维应力场分布。采用如图1 所示的过程来模拟盾构挤 土效应。假定： -1- 1 ○ 土体不排水固结，仅考虑施工期间的变形； [6] 2 ○ 土体为线弹性半无限体； [4] 3 ○ 盾构的推进面为荷载作用面，将正面附加推力近似为圆形均布荷载 4 ○ 掘进机壳周围土体之间的摩擦力以滑动摩擦计算； (1)摩阻力 在顶进过程中掘进机与周围土体产生摩擦力，当掘进机向前顶进时，摩擦力会引发土 体扰动，从而引起应力重分布。掘进机与土体之间的接触面积较大，产生较大的摩擦力，按 滑动摩擦力来计算。设机壳与土体之间的摩擦系数为f，则距开挖面n米位置的摩擦力在机壳 圆周上的分布，示意图如图2 ： ⎧ ⎡ ⎛ D ⎞ ⎤ f h + − D +k ∈ γ sinθ γ sinθ sinθ cosθ ,θ 0,π ⎪⎪ ⎢⎣ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ 0 ⎥⎦( ) [ ] τ ⎨ ⎪ D f γ h θ θ k θ θ π π ⎪⎩ ( − 2 sin )(−sin + cos ), ∈[ ,2 ] 其中k为静压力系数， 为土体的容重，γ 为盾构机的容重。 γ 0