合肥砂土盾构过程数值模拟与检验.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#合肥砂土盾构过程数值模拟与检验1,21,21,21,2**丁彬，武文安，朱大勇，卢坤林（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009；52.土木工程结构与材料安徽省重点试验室，合肥230009）摘要：从离散元的角度模拟分析盾构施工，把土体分成土颗粒进行模拟，根据离散元理论，以PFC2D为平台，编写盾构过程数值模拟程序，根据实验砂土试样（合肥砂土）的室内三轴试验和模拟双轴试验对比结果，设置数值模拟参数，开展合肥盾构地表沉降和土压力的研10究，再现盾构过程中的土体应力和土体沉降的变化，通过同尺寸的物理模型进行验证。结果表明：基于散体材料理论的PFC2D能够很好地展现盾构过程中中间断面的沉降和应力变化，为深入分析盾构问题提供了一个很好的数值途径。关键词：盾构施工；物理模型试验；PFC2D；数值模型试验中图分类号：TU41115NumericalsimulationandModeltestofshieldtunnelingprocessinHefeicity1,21,21,21,2DINGBin,WUWenan,ZHUDayong,LUKunLin(1.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230009,China;202.AnhuiKeylaboratoryofCivilEngineeringandMaterial,Hefei,Anhui230009,China)Abstract:Accordingtothetheoryofdiscreteelement,thenumericalsimulationprogramofshieldtunnelingprocessiswrittenwithPFC2Dastheplatformbydivingthesoilintosoilparticlesforsimulation.Accordingtotheresultsoflaboratorytriaxialtestandsimulatedbiaxialtestofsandsamples(Hefeisand),wesetthenumericalsimulationparametersinordertocarryoutthestudyofsurface25settledsadsadsamentandearthpressureofshieldtunnelinginHefeiandreproducethechangNumericalsimulationandModeltestofshieldtunnelingprocessinHefeicityesofsoilstressandsoilsettlementduringtheshieldprocess.TheNumericalmodelwasvalidatedbythesamesizephysicalmodel.TheresultsshowthatthePFC2Dbasedonthebulkmaterialtheorycanwellshowthesettlementandstressvariationofthemiddlesectionduringtheshieldprocess,whichprovidesagoodnumericalmethodfor30thefurtheranalysisofshieldproblems.Keywords:shieldconstruction;physicalmodeltest;PFC2D;numericalmodeltest0引言盾构施工经常穿越性质不同的土层，地表沉降规律和土压力变化规律随穿越土层土性的35改变也会产生相应的变化。盾构施工技术由于具有环境影响小、施工安全性高以及地层适应强等优点，已经成为城市地铁及隧道修建的主要方法。盾构掘进过程中引起的地层扰动一直是工程人员的研究重点，同时也取得了一系列成果。[1]R.B.Peck在当时大量隧道开挖引起的地表沉降实测资料的基础上，系统地提出了地层损失[2]的概念和估算隧道开挖引起地表下沉的实用方法。CaiF详细研究了在软土中进行圆形孔洞[3]40开挖时，开挖面的稳定性。江英超在砂土地层中盾构施工的室内掘进试验中分析了地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态，发现衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半[4]轴、左右端为短半轴的椭圆形。朱才辉进一步在数值模拟仿真过程中加入理论及经验公式预测，首先基于Rowe等提出的“间隙参数”概念，对“间隙参数”进行相应的修正，再基于基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20130111130002）作者简介：丁彬（1993-），男，硕士研究生，主要研究方向：岩土工程通信联系人：卢坤林(1980-)，男，副教授、硕导，主要研究方向：岩土稳定理论.E-mail:lukunlin@hfut.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnLoganathan公式，利用修正的“间隙参数”对地表沉降进行施工因素的量化分析，同时建立了[5]45数值仿真模型对张云等基于经验提出的等代层参数厚度进行相应的修正。Tannant首先采用[6]PFC2D对深层岩石隧道注浆支护过程进行了研究。魏龙海采用二维离散元程序分析了砂卵石地层中盾构开挖情况下土体应力的变化、开挖面稳定影响因素和破坏发展形式等。蒋明静[7-8]采用PFC2D对支护结构的受力和开挖土体应力场的改变进行了研究，主要是土体主应力[9]大小和方向的变化过程，这些结构和理论分析中的拱效应和卸载作用结果相一致。朱伟50通过对垂直土压力的松动效应进行颗粒流模拟，分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片的土压力、土体位移和土颗粒接触力的变化情况，发现土拱效应主要是在隧道上部1~2倍的隧道直径的范围内，隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用[10]在隧道上的土压力。胡欣雨通过颗粒流程序合理地模拟盾构推进过程的开挖问题，发现[11]开挖量与土体的密实度及开挖面压力有关。缪林昌基于Kirsch室内模型试验，采用颗粒55流计算分析了隧道掘进过程中土体密实度对开挖面极限支护力、残余支护力以及开挖面前方土体孔隙比变化的影响，从细观角度解释了砂土中盾构隧道开挖面失稳机理。前人研究关于双线开挖的内容很少，本文以合肥地铁1号线和2号线盾构施工为背景，选取合肥典型砂土为试验材料，进行数值模拟和模型试验，研究双线开挖过程中土压力变化和沉降规律。1颗粒流模拟砂土参数的确定60PFC2D是通过一定数目的颗粒或颗粒簇模拟土体宏观力学行为的软件，迄今还没有能从细观力学指标直接反映宏观力学指标的关系公式。所以必须先假定参数，利用双轴数值试验，对其分别施加100kpa，200kpa，300kpa和400kpa的围压，分别记录所对应的峰值强度，重复设定参数并进行数值试验，直到峰值与做模型试验的土体一致，最后绘出莫尔圆并得到摩擦角。通过不断地重复数值实验，假定参数计算土体的力学行为，并与做模型试验的土体65的力学行为进行对比，以此来确定颗粒流模拟土体所需要的细观参数值。经过重复的数值试验，最终确定了与室内试验相对应的细观参数。图1为砂土的室内三轴摩尔破坏包络线图。图2为双轴数值试验摩尔破坏包络线图。本文对应的实验模型选用的砂土土样（d50=0.17mm）取自合肥地铁1号线芜湖路-大东门站区间，基本参数如表1，砂土模型的相对密实度Dr=0.51，砂土的最小干密度1.47g/cm3，最大70干密度是1.83g/cm3。通过双轴数值模拟试验获得数值模拟试验所需的细观参数，如表2所示。1200100kPa1000200kPa800300kPa400kPa600趋势线τ（kPa）线性(趋势线)40020000200400600800100012001400160018002000σ（kPa）图1砂土的室内三轴摩尔破坏包络线图Fig.1SandyindoortriaxialfailureenvelopediagramMoore-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1200100kPa1000200kPa800300kPa400kPa600趋势线τ（kPa）线性(趋势线)4002000020040060080010001200140016001800200075σ（kPa）图2双轴数值试验摩尔破坏包络线图Fig.2BiaxialnumericalexperimentsMoorefailureenvelope表1砂土性质参数Table1Propertyparametersofsandd50比重摩擦角粘聚力重度含水率/%3/mmGs/º/kPa/kN/m21.20.172.6337518.980表2细观参数Table2Microscopicparameters最小粒径最大粒径法向刚度切向刚度重度初始孔隙率摩擦因数3/mm/mm/N/m/N/m/kN/m1.531.8e81.8e80.218.90.92盾构过程数值模拟与物理试验2.1数值模拟与物理试验模型参数布置[12]模型是指将原型进行比例缩小在等比模型上进行试验的一种方法，相似理论是这种85研究方法的理论基础。选取实际工程中的典型盾构施工断面，由该典型断面尺寸并结合试验台尺寸，根据相似原理选择尺寸相似比、重度相似比、土体模型强度（摩擦角、粘聚力、弹性模量等）相似比和时间相似比等依次为：11al=，aγ=1，aaaσγ==l*50501aatl==7.190模型实验布置在合肥工业大学土工模型实验厅，实验采用刚性长方体模型箱，容积（长×高×宽）为2.5m×1.0m×0.6m，用于模拟实际尺寸75m×50m×30m的合肥土体，为了清楚地看到实验的变化，模型箱前后采用有机刚性玻璃作为挡板，前侧玻璃上开有关于中线对称的左右两个直径15cm的圆形孔洞，用于模拟隧道开挖，模型制作时使用刚性玻璃平板贴住孔洞以防材料漏出，如图3所示，模型箱的正视图如图4。模型箱内侧涂有一层凡士林和硅95油脂以减小试样与模型箱间的摩擦。模型箱上方布置百分表读取各测点沉降，在土体内部布置土压力盒监测开挖过程中隧道上部土体的土压力的变化。选取室内试验模型的中间断面，采用PFC2D进行数值分析，生成土体试样和管片模型进行盾构数值模拟试验。为检验数值模拟的可靠性，物理模型尺寸与数值模拟尺寸一致，考虑到计算机的工作效率和数值模拟的目的，在定义数值模拟尺寸时长度相对于物理模型左右100各减25cm。取模型宽度为200cm，高度为100cm。为了与模型试验贴近，模拟时颗粒粒径大小取在1.5mm～3mm，根据上一节的参数生成颗粒，生成模型图5所示，模型共计生成-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn约6万个颗粒，颗粒间接触模型默认为线性接触模型。为了防止重力平衡过程中颗粒穿出8墙体，将管片的法向和切向刚度均设置为2X10N/m。在现实情况中，为了让盾构机能够以较小的阻力前进，在开挖过程中会有超挖间隙，盾构隧道开挖部分的半径大于盾构隧道管片105的半径，本文采取超挖率为14.44%。合肥地区地下水位较深，对盾构施工几乎没有影响，故本试验忽略了地下水的作用。图3试验模型Fig.3Experimentalmodel模型顶侧421515110模型下侧250110图4模型箱正视图（单位：cm）Fig.4Frontviewofmodelbox(unit:cm)115图5数值初始模型Fig.5Initialsimulationmodel2.2测点布置试验中沉降值和土压力值分别通过在固定测点布置百分表和土压力计进行监测。本文只考虑中间断面的沉降情况，测点位置和编号如图6。百分表分度值0.01mm，量程10mm。120土压力测点共18个，均位于模型中间的纵截面上，具体位置和编号如图7。土压力计为DMT应变式土压力计，数据采集使用1台24通道的XL2101B6静态应变仪。为了监测模拟开挖过程中颗粒位移和应力变化过程，在数值模型中布置了测量圆，测点位置与室内模型的位置一致，对应的位移测点为室内模型的12～22测点。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn模型顶侧1234567891224101112131415161718模型下侧250125图6土压力测点布置和编号（单位：cm）Fig.6LocationsandnumbersofEarthpoints（unit:cm）右侧孔洞左侧孔洞模型前侧1234567891011模型前侧1213141516171819202122模型前侧2324252627282930313233模型前侧15X4912121224模型后侧250图7沉降测点位置和编号（单位：cm）Fig.7Locationsandnumbersofsettlementobservationpoints（unit:cm）1302.3试验方法物理试验模型完成后至少静置48h，期间进行土压力和沉降监测，两者稳定后便可进行试验。土体掘削采用具有四片叶状刀片的圆形刀盘进行，刀盘直径12cm，四刀片十字分布，刀盘固定在电动机上。试验时先将管片与孔洞对中，再将刀口放入管片内部、对中并与土体紧贴，打开电动机135和试验机，试验开始，管片也按3cm/h的速度随刀盘由试验机平稳均匀推入，每侧开挖需10.2h，右侧先开挖，完成后经48h进行左侧开挖，两侧开挖完成后继续监测72h。监测间隔为：开挖时间隔0.5h，其余时间间隔1h。数值模型重力平衡后，先删去模型右部分圆形部分颗粒，模拟盾构隧道开挖，再生成圆形墙体，模拟盾构隧道管片，运行至模型稳定；然后删去模型左部分圆形部分颗粒，生成圆140形墙体，然后重新进行受力平衡，运行至模型稳定，以达到模拟隧道开挖的目的。3数值模拟及室内试验结果分析将试验开始记为0h，0h～58.2h（0~20万步）记为试验第一阶段：右侧进行开挖沉降稳定；58.2h～120h（20~40万步）记为试验第二阶段，左侧开挖直至土体最终沉降至稳定状态。图8为土体开挖过程中的位移矢量图，由图可以看出隧道开挖过程中，拱顶上覆土层位145移竖向有向隧道拱顶移动的趋势，侧向有向隧道内侧扩张的迹象。显然，这是因为在隧道施工过程中，由于盾构超挖引起周边土层扰动，导致原有的应力场平衡被破坏，随着时间的推移，土体颗粒发生位移，应力场重新达到平衡。盾构部位周围土体受影响最大，对竖直方向土体的影响较大。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn150图8位移矢量图Fig.8Displacementvectordiagram3.1沉降分析数值模拟按步骤进行达到稳定后取第一阶段完成和第二阶段完成的沉降云图进行对比分析，如图9和图10所示。由图中可以看出，隧道中心线上的颗粒竖向位移比较大，随着155离隧道中心线距离的增大，竖向位移逐渐减少；临近隧道的土体位移量较大，离隧道越远沉降量越小。观察发现，左边的沉降小于右边的沉降，这是因为右侧先开挖，土体结构受到扰动，导致最终右侧的沉降较大，这种现象在室内试验模型中绘出的沉降槽中也能体现出来，这也说明数值模拟的可靠性。隧道上部土体位移量主要发生在隧道上部一定范围土体内，离隧道越远，沉降量就越小，水平方向上距隧道中轴线距离越远，土体的竖向沉降越小。160图9第一阶段沉降位移云图图10第二阶段沉降位移云图Fig.9FirststageofthesettlementdisplacementcloudFig.10Secondstageofthesettlementdisplacementcloud取沉降测点15和19进行数值和模型试验沉降历时曲线对比分析，如图11所示。由图11可以看出数值模拟和模型试验的变化趋势基本一致，试验第一阶段19测点的沉降速度明165显快于15测点，第二阶段15测点的沉降速度大于19测点，这是由于双线开挖时对各自上方的土体扰动更加明显，最终趋于稳定后，观察发现19测点的最大沉降值大于15测点，可以看出先被扰动一侧最终呈现为更大的沉降，说明开挖扰动对砂土的稳定性有一定的破坏，右侧相比左侧稳定性变差。0510152025303540450万步-0.2-0.4-0.6-0.8-1数19数15-1.2物19物15-1.4沉降/mm170图11测点15和19的沉降历时曲线对比分析Fig.11Comparisonofsubsidencecurvesofmeasuringpoints15and19-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn相对于模型试验结果，数值模拟的结果稍微偏大其原因可能在于：模型试验测试受很多因素影响，比如室温，土的含水率，压实度等，而数值模拟的条件相对理想，数值模拟输入的阻尼比相对于实际值可能偏小。但总体基本吻合，说明PFC数值模拟能够很好地展示盾175构过程中地表沉降的变化，能够更为接近真实地表现出颗粒运动所带来沉降的结果，为盾构模拟提供了一种离散元思路。3.2土压力分析数值模拟第一阶段和第二阶段土体基本达到稳定时取土体的法向接触力图进行对比分析，如图12和图13所示。由图中可以看出管片和颗粒之间的接触力会有很大的减小，管片180上的竖向土压力降低较多，这主要是颗粒之间错动将上覆土体的重量传递到两侧土体的结果，大主应力从初始的竖直方向发生一定角度的偏转。这会导致隧道上部颗粒之间的水平接触力会增大，侧压力系数也增大，也就增大了颗粒之间的摩擦力，通过摩擦抵抗把作用在隧道管片上的上压力传递到了隧道的两侧。这也就是隧道两侧颗粒之间的接触力变的很大的原因。数值模拟分析能够很清楚地看出模型体内部的内力分布和内力变化，与模型试验相比更185加直接的看出内力集中区域。图12第一阶段法向接触力图图13第二阶段法向接触力图Fig.12FirststageofthenormalcontactforceFig.13Secondstageofthenormalcontactforce盾构开挖过程中隧道上覆土的侧压力系数是反应土拱效应的一个重要参数。通过布置在190隧道轴线正上方的测量圆监测侧压力系数随开挖步的变化。图14和图15数值模拟左右线正上方覆土侧压力系数对比分析，可以看出开挖右侧时对左侧的扰动相对较小，开挖左侧时对右侧的扰动也相对小一些，从隧道开挖初期，土层的侧压力系数数值较为离散，随着沉降的发展，侧压力系数逐渐收敛并趋于一稳定值，达到稳定状态。1.61.61.41.41.21.2110.80.8侧压力系数0.6侧压力系数0.60.40.4左线0.2右线0.20003691215182124273033363942万步03691215182124273033363942万步195图14右线正上方侧压力系数图15左线正上方侧压力系数Fig.14RightsideofthepositivesideoftheFig.15Leftsideofthepositivesideofthepressurecoefficientpressurecoefficient由室内模型试验的上层1~8号土压力盒和下层土压力盒9~16号监测所得数据处理如图16和17所示。可以看出开挖右侧时，右侧上方土压力减少明显，开挖左侧时，左侧上方也-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn200相应减少明显，这与数值模拟的结果是一致的。图16和图17对比还显示，隧道施工过程中，相同地层损失率和隧道埋深条件下，隧道轴线正上方不同埋深的土层土压力有所不同，竖向距离小的测点土压力减少的越快，测点与开挖部位间的竖向距离对测点土压力变化值的影响大于测点与开挖部位间横向距离的影响，这是由不同层位土层土拱的形成和发展的程度不同而引起的。4.09.03.58.5土压力/kPa3.0土压力/kPa8.02.57.57.02.0初始阶段初始阶段第一阶段第一阶段6.51.5第二阶段第二阶段6.01.0-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8205顶面坐标/m顶面坐标/m图16上层土压力图17下层土压力Figure16UpperearthpressureFigure17Lowerearthpressure3.3沉降槽分析图18为数值模拟和模型试验最终稳定后的沉降槽对比分析，由图可以看出数值分析结210果和室内模型试验结果具有较高的吻合度。两者均有双峰现象，测点越靠近隧道中心，沉降值越大，这说明离散元模拟砂土的盾构过程可以充分考虑砂土的离散性，数值模拟的沉降槽较模型试验更深，这可能与数值试验设置的阻尼偏小有关。一般认为，岩石体的数值模拟值与试验值的误差在一个数量级之内视为合理，由图可知，二者结果差别不大，误差在允许的范围之内，且变化规律基本一致。由此可以说明室内试验结果是合理的，数值模拟结果是可215靠的。顶面坐标/m0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8-0.2-0.4-0.6-0.8-1数值模拟模型试验-1.2沉降/mm图18两种沉降槽形成对比Fig.18Contrastofformationofsettlementtroughsoftwokindsofsoilmodels4结论220（1）通过对比室内三轴实验和PFC2D双轴实验结果，确定了PFC2D的细观参数，说明通过室内试验和数值试验能很好地将现实试验中的宏观参数与数值试验的细观参数联系起来。（2）地层损失是底层发生沉降的主要原因，地层位移受所在断面及其他断面地层损失的影响，同一断面上的地表和地中位移表现出差异，由数值模拟沉降云图可以很好地体现出225来。（3）隧道中心线上的竖向位移较大，两侧的逐渐减少：隧道两侧上部的土体除有向下-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn移动的趋势外，还有向中间移动的趋势。隧道上部土体位移量主要发生在隧道上部一定范围土体内，离隧道越远，沉降量就越小。（4）隧道施工过程中，相同地层损失率和隧道埋深条件下，测点与开挖部位间的竖向230距离对测点土压力变化值的影响大于测点与开挖部位间同等横向距离的影响（5）通过对比数值模拟试验和室内模型试验的结果，发现：都有先开挖侧的沉降大于后开挖侧的现象，土压力减小的趋势大致一致，沉降槽均有明显的双峰现象。经过数值模拟，很好地展现了盾构过程中土体内部的应力应变随时间的变化，为从细观角度观察盾构过程提供了思路。235[参考文献](References)[1]PECKRB.Deepexcavationsandtunnellinginsoftground[C]//Proceedingsofthe7thInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering.Mexico：[s.n.]，1969：225-290.[2]CaiF,UgaiK,HagiwaraT.Basestabilityofcircularexcavationsinsoftclay[J].Journalofgeotechnicalandgeoenvironmentalengineering,2002,128(8):702-706.240[3]江英超，何川，胡熊玉等.砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(12):2550-2559[4]朱才辉，李宁，张志强.盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析[J].岩土力学，2011，32(1):158-164[5]TannantDD,WangC.ThinRockSupportLinersModeledwithParticleFlowCode[C]//InternationalConferenceonDiscreteElementMethods.2002:346-352.245[6]魏龙海.基于颗粒离散元法的卵石层中成都地铁施工力学研究[D].西南交通大学，2009.[7]蒋明镜，王富周，朱合华.考虑尾隙的盾构隧道土压力离散元数值分析[J].地下空间与工程学报，2010，6(1):28-32.[8]JiangM,YinZY.Analysisofstressredistributioninsoilandearthpressureontunnelliningusingthediscreteelementmethod[J].Tunnelling&UndergroundSpaceTechnology,2012,32(6):251-259.250[9]朱伟，钟小春，加瑞等.盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟[J].岩土工程学报，2008，30(5):750-754[10]胡欣雨，张子欣.不同地层条件泥水盾构开挖面失稳状态颗粒流模拟方法研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(11):2258-2267[11]缪林昌，王正兴，石文博.砂土盾构隧道掘进开挖面理论与颗粒流模拟研究[J].岩土工程学报，2015，37(1):98-104255[12]李铁才，李西峙.相似性和相似原理:Resemblanceandprinciplesofsimilarity[M].哈尔滨工业大学出版社，2014.-9-'