软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

曹洋; 林向荣; 李子路

doi:10.15961/j.jsuese.202100187

工程科学与技术 ›› 2022, Vol. 54 ›› Issue (03) : 149 -158. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100187

软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

曹洋, 林向荣, 李子路

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摘要

滨海软土地层稳定性受外界施工影响显著，为阐明浅埋盾构隧道工程对地层的扰动机制，基于有限差分平台建立模拟盾构动态开挖的精细化数值模型，分工况研究各施工因素对地层的扰动效果。模型考虑刀盘摩擦力、开挖面支护力、盾尾注浆压力和盾壳摩擦力对周围土层的综合作用，并参考实际工程中注浆层的性态变化，将盾尾注浆时压力消散和浆液凝固间的关系分为3个阶段，分别模拟浆液的流动状态、初凝状态和终凝状态，进而将对应参数分区段赋予计算模型中新建隧道外注浆层，且伴随开挖过程对注浆参数进行实时调整。由此，真实地反映了盾构全过程，实现了对施工的精细化模拟。借助厦门地铁1.0D(D为隧道外径)埋深盾构隧道工程，通过现场监测验证了数值模型的可靠性，计算对比了浅埋开挖过程中以上4类施工因素对软土地层的扰动影响，总结了各因素在扰动变形中的作用效果。结果表明：刀盘顶推作用使前方土体径向扩张；盾尾注浆阶段，在开挖空间两侧各1.0D范围内形成沉降槽，隧道侧面土体水平位移在注浆层凝固期间，出现近场回弹和远场扩张现象。刀盘摩擦力和盾壳摩擦力的增大会进一步加剧地层扰动变形，而开挖面支护力及盾尾注浆压力增大时，地表沉降有所减缓，侧面水平位移显著增加。研究成果对盾构浅埋开挖扰动预测及参数选取具有一定的指导意义。