盾构掘进引起土体扰动的数值模拟与现场验证_顾荣华.pdf

第5卷第1期 地 基 处 理 Vol.5 No.1 2023 年 1 月 Journal of Ground Improvement Jan.2023 盾构掘进引起土体扰动的数值模拟与现场验证 顾荣华1，沈卓恒2，王益坚3，高 飞1，边学成1*，陈云敏1（1.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室/岩土工程研究所，浙江 杭州 310058；2.杭州市城市建设投资集团有限公司，浙江 杭州 310012；3.杭州市运河综合保护开发建设集团有限责任公司，浙江 杭州 310016）摘 要：为了研究结构性软土中盾构掘进过程对土体扰动的影响，引入了修正结构性剑桥模型考虑土的结构性，在 Abaqus 中编写了该模型的子程序并建立了盾构掘进的三维有限元模型，以模型中结构强度参数为评价指标建立了盾构掘进引起土体扰动评价方法。以宁波地铁 1 号线二期工程邱隘东站到五乡站左线盾构隧道项目为例，分析了盾构推进过程中的土体变形、超孔压分布及土体扰动情况。结果表明，土体结构性变化对预测结果的准确性有较大影响，当考虑土体结构性的影响时，预测结果更接近实测值；数值模拟得到隧道底部土体扰动度大致呈三角形分布，最大值为 31%，影响范围达 3.0 m，与采用静力触探锥尖阻力扰动评价结果基本一致。对盾构施工控制参数进行分析，开挖面的支护压力对土体扰动的影响较大，当增大 0.5 倍支护压力时，隧道底面扰动度从 31%增加至 40%，影响范围从 3.0 m 增大到 4.0 m。关键词：结构性软土；修正结构性剑桥模型；结构强度；盾构掘进；土体扰动度 中图分类号：TU443 文献标识码：A 文章编号：20967195(2023)01003310 Numerical simulation and field verification of the soil disturbance caused by shield tunneling in structural soft soil GU Rong-hua1,SHEN Zhuo-heng2,WANG Yi-jian3,GAO Fei1,BIAN Xue-cheng1*,CHEN Yun-min1(1.Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of the Ministry of Education/Institute of Geotechnical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,Zhejiang,China;2.China Hangzhou Urban Construction Assets Management Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,Zhejiang,China;3.Hangzhou Canal Comprehensive Protection and Development Construction Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310016,Zhejiang,China)Abstract:In order to study the influence of shield tunneling on soil disturbance,the Modified Structured Cam Clay Model(MSCC)subroutine is compiled to establish the analysis model of shield tunneling in structural soft soil established in Abaqus.A theoretical calculation method of soil disturbance degree is proposed based on structure strength in the constitutive model.Taking the excavation process of shield tunnel from Qiuai station to the Wuxiang station in the second stage of Ningbo Metro Line 1 as an example,the soil deformation,excess pore water pressure and soil disturbance degree are analyzed.The results show that the accuracy of the predicted results can be improved by considering the soil structure.Numerical results shows that the disturbance degree of the soil at the bottom of the tunnel has roughly triangular distribution,with a maximum value of 31%and an influence range of 3.0 m,which is basically consistent with the evaluation results of the static cone tip resistance disturbance.By analyzing the control parameters of shield construction,the support pressure has a greater influence on the soil disturbance degree.When the support pressure is increased by 0.5 times,the soil disturbance degree under the tunnel increases from 31%to 40%and the influence range increases from 3.0 m to 4.0 m.Key words:soil structure;Modified Structured Cam Clay Model(MSCC);structure strength;shield tunneling;soil disturbance degree 0 引 言 土体在漫长的历史沉积过程中，土颗粒间通过化学、生物和力学等多种作用下形成某种特定的结构形式或在土颗粒间形成胶结作用力，导致原状土的力学特性与重塑土相比存在较大差异，表现出结 收稿日期：2022-03-10 基金项目：国家自然科学基金项目（52125803）；浙江省省重点研发项目（2019C03111）。作者简介：顾荣华（1996），男，贵州安顺人，硕士研究生，主要从事隧道工程数值分析方面的研究工作。E-mail:。*通信作者：边学成（1976），男，浙江诸暨人，博士，教授，主要从事交通岩土工程和地铁保护研究工作。E-mail:。DOI:10.3785/j.issn.2096-7195.2023.01.005 34 地 基 处 理 2023年1月 构性特征1-2：当土体未达到屈服状态时，土体中胶结结构的存在提高了土骨架的稳定性，与重塑土相比，在同等应力条件下结构性土可以维持更高的孔隙比；当土体达到屈服后，结构性的破坏使土体的压缩性急剧增大3-4。文献5 指出东南沿海地区广泛分布着海相沉积的软弱黏土层，通常具有显著的结构性特征。在这样的土层中进行地下结构施工时，会对土体产生严重的扰动，使土体结构性发生破坏，导致过大的土体变形，危及地下结构的安全6-7。随着沿海地区工程建设规模不断增大，建立施工扰动程度评价方法，探究受扰动土体力学性质的变化规律具有重要的工程价值及实践意义。根据原位测试与现场监测结果，许多学者采用不同的试验指标建立了土体扰动度评价方法。XU等8 在研究盾构隧道掘进过程中发现有效应力的变化对土体力学性质有明显影响，提出了将有效应力作为指标评估土体扰动度。王军9 发现土体扰动后不排水强度大为降低，提出将十字板剪切强度来定量评价现场地基扰动度，并建立了土体变形参数与扰动度之间的关系。陈云敏等10 在对某基坑坍塌后进行现场测试，结果表明，锥尖阻力与十字板强度基本呈线性关系，因此将锥尖阻力作为土体扰动度的评价指标。鲁泰山等11 以不排水抗剪强度为评价指标，建立了基于孔压静力触探锥尖阻力的扰动评价方法。准确评价土体扰动度对工程变形控制十分重要，但是基于原位测试扰动评价方法普遍存在时效性差、监测困难、监测精度低等问题。因此，发展一种基于有限元模型的施工扰动评价方法十分必要。有限元模型计算的精度取决于所选的材料本构模型及参数，目前已经发展出很多能够考虑土体结构性的本构模型。CHAI 等12 将结构性土的压缩曲线方程引入到修正剑桥模型中，建立了结构性参数模型；LIU等13 和CARTER等14 在结构性土压缩曲线的基础上，提出了应力状态、应力历史、孔隙比和结构性指数的四维空间理论，以此建立了结构性本构模型。结构性软土中普遍存在胶结作用15-17，影响着土的力学特性。为了考虑胶结作用力的影响，SUEBSUK 等18 将屈服面平移至与平均主应力轴负半轴相交，通过假定截距随塑性偏应变发展来考虑胶结作用的演化，提出了修正结构性剑桥模型（MSCC），并通过对比Osaka 黏土19 与 Marl 黏土20 模拟结果与试验结果，验证了该模型在不同地区的结构性软黏土的适用性。尽管结构性土的本构模型研究取得了很大的进展，但是目前还未运用到常见的有限元软件中。为此，本文首先基于 Abaqus 提供的二次开发平台编写了MSCC 模型的子程序，并以宁波地铁 1 号线二期工程邱隘东站到五乡站左线盾构隧道掘进过程为例，利用MSCC 模型在 Abaqus 中建立三维有限元模型，以评估土体结构性对隧道周围土体响应的影响。最后，基于 MSCC 模型中结构强度参数提出土体扰动度计算方法，并通过与现场实测结果对比以验证该方法的合理性，分析了盾构施工控制参数对土体扰动的影响。研究结果能够为类似的工程设计施工提供参考。1 修正结构性剑桥模型 1.1 模型介绍 ROSCOE 等21 基于能量方程建立了修正剑桥模型（MCC），模型相对简单、参数易于确定，可以准确地描述重塑土的力学特性。但工程中的实际土具有明显的结构性，其强度变形特性与结构性密切相关，不同结构性土的临界状态特性亦不同。因此，用修正剑桥模型来描述结构性软土的力学反映显然存在着较大的误差。为此，SUEBSUK 等18 在建立定量描述土结构性的基础上，考虑土的胶结作用，提出了修正结构性剑桥模型（MSCC）。模型屈服面见图 1，屈服函数F为：22b0()()FqMpppp=-+-(1)式中：p为平均主应力；q为广义剪应力；bp为考虑胶结强度而引入的参数，称为结构强度；M为临界状态线斜率。bp0pqdp0结构性土屈服面重塑土屈服面M未扰动临界状态线完全扰动临界状态线p 图 1 结构性土屈服面和重塑土屈服面 Fig.1 Yield surface of structural soil and remolded soil HORPIBULSUK 等15 和 LIU 等16 指出结构强度bp的变化与塑性应变密切相关，模型中假定结构强度bp取决于塑性偏应变pd的大小，并将其变化分为两个阶段来表示胶结结构的退化和破碎，计算公式为：结构退化阶段：()pbb0dexppp=-(2)结构破碎阶段：()ppbb,fdd,fexppp=-(3)式中：b0p为初始结构强度；pd,f为土体抗剪强度达第 1 期 顾荣华，等：盾构掘进引起土体扰动的数值模拟与现场验证 35 到峰值时对应的塑性偏应变；b,fp为pd,f对应的结