砂质粉土地层盾构开挖流.doc

砂质粉土地层盾构开挖流-固耦合数值模拟
 
摘 要:以杭州地铁 1#线乔司北站—临平高铁站盾构隧道为工程背景,基于流固耦合分析理论,结合盾构隧道区的地质及水文条件,采用有限差分法对施工期盾构隧道周围土体及衬砌结构进行流固耦合分析。计算中考虑了隧道分部开挖、盾尾注浆等施工步骤,分析了盾构施工土体沉降及超孔隙水压力的变化。将数值模拟结果与现场量测值进行比较,说明考虑流固耦合作用时的计算结果与实测值相接近,所得结论对类似工程具有重要参考价值。
关键词:盾构隧道;FLAC3D;流固耦合;孔隙水压力;沉降
 
      沿海软土地区在地铁修建过程中,土层内丰富的含水量给地铁区间隧道的施工带来较大影响,隧道施工扰动土体致使地下水流失,破坏原始水土平衡,引起周围土体内部孔隙水压力的变化,使地层发生排水固结引起地表沉降[1,2]。盾构隧道开挖的流固耦合问题一直是学术界和工程界关注的热点问题[3,4],陈健云等采用流固耦合分析方法对大直径输水隧道进行了研究[5];富海鹰对隧道的非降水施工引起的地表沉降进行了研究[6];席锦州等对富水地层地铁隧道开挖引起地表固结沉降进行了研究[7]。针对不同的施工方法和施工工艺,流固耦合下盾构隧道开挖导致地面沉降的研究相对比较缺乏。本文应用FLAC3D 有限差分软件对非降水施工进行流固耦合数值模拟分析,得到了盾构施工中的孔隙水压力和地面沉降等情况,并结合实际监测数据数据和数值模拟结果进行了对比。
 
一、流固耦合计算原理
      FLAC3D 是国际通用的岩土工程专业分析软件[8]。流—固耦合是指不同流体流动与土结构平衡条件之间的相互作用,即连续方程与平衡方程的解。FLAC3D 适于模拟土体的流固耦合现象,在模拟岩土的流固耦合机理时,将岩土体视作多孔介质,流体在孔隙介质中的流动依据 Darcy 定律,同时满足 Biot 方程。
      FLAC3D 定义四种边界条件,它们分别对应以下情况[9]:(1)给定孔隙压力;(2)已知的边界的流量法向的分量;(3)渗流边界;(4)不渗透边界。
 
二、工程概况及建模

      杭州地铁 1#线乔司北站—临平高铁站盾构隧道,地处杭州市余杭区乔司镇至临平镇,起点桩号 K36+,终点桩号 K37+ 拟建场地沿线现以农田、空地、民居为主,沿线地势起伏平坦,自然地面标高 ~。盾构隧道穿过的地层为主要砂质粉土层,左、右线盾构隧道轴线相距 ,设计隧洞内径 5,500mm,衬砌采用 C50钢筋混凝土拼装式管片,管片标准块厚度 350mm。

      根据本工程的勘察报告,相关计算参数见表 1。

      土体采用修正的 Mohr—Coulomb 模型,管片衬砌采用弹性模型,上述材料均采用线弹性小变形材料模型,管片微透水。地表和各土层均呈匀质水平层状分布,计算中不考虑管片接头影响以及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的折减作用。开挖步骤为先进行左边隧道的开挖,盾构每个推进步长为 6m,每期开挖结束,安设管片衬砌,施加支护压力,待左边隧道全部开挖完成后再进行右边隧道的开挖。根据现场实地勘察,地下水位距地表面为 ~,计算时地下水位近似取为地表,左右边界均为不