盾构隧道工程基于三维有限元模拟的地表变形分析

图１ 计 算模 型
图２盾 构掘 进 １ ５ ｍ时地 层 位移 图
从 整个 施工 过程 模 拟分 析 可知 ，在 盾构 机 沿线 路 通 过路 基 的过 程 中 ， 计 ． ４ ｍ ｍ， 最 大 水平 位 移为 １ ． ９ ２ ｍ ｍ。 摩擦和剪切； 土体受施工扰动的固结作用 ， 次固结沉降持续若 干年 ， 软土 中次 算所 得 的路基 顶部 竖 向位移 最 大值 为６ ４ ． ３ 施 工 总体 工 艺流程 固结所 占沉降量之比较大； 正面障碍物随盾构推进而移动 ， 在盾构通过地层 本 明挖 段 及盾 构 始 发井 的施 工 计划 ，绝 对 服从 盾 构 掘进 施 工 的 基 本要 产生空隙时注浆不及时 ； 水土压力使隧道衬砌变形。 求， 以实现 总 工期 为 目标 。 明挖段 施工 分 为三 个 阶段 进行 。
３ 计算 地表 变形
３ ． １ 地 层 移动 特点
４ ． ３ ． １第一 阶段
第一阶段施工在 明挖段及始发井场地和组织有关的人员 、 材料和设备进 场。在１ ０ 天内完成围护结构施工的准备工作， 包括进场道路铺设、 水 电拉接 、 地层 的 大量 实测 资料 表 明 ， 地层 移 动可 根据 地层 沉 降 变化 曲 线大 致 分为 临设 布 置和 施工 测量 放 线 等。 盾构 到 达前 、 盾 构到 达 时 、 盾 构通 过 时 和盾 构 通 过 后 的瞬 时 地 面变 形 以及 地 准备工作完成后先进行地基加固施工 ：计划进场８ 台搅拌桩机， ４ 台从明 表后 期 固结 变形 等５ 个 阶段 。 挖 段两 端 向 中间 施打 ，另 外从 明挖 段 中 间 向两 端施 打 。每 台桩 机 每 天 完 成 ３ ． ２计算 方法 ５ ０ ｍ， ２ ０ 天 时 间完成 全 部搅 拌桩 。搅 拌桩 开 始施 ７ － ５ 天后 ， 从 腾 出的 工作 面 开 地表沉降的估算方法主要有 ： 开采矿 山引起地表变形 中采用的Ｒ． Ｂ ． Ｐ Ｅ Ｃ Ｋ ３ 始插 入 施工 地 连墙 的导 墙 ， 计 划配 置 ２ 台液 压抓 斗 、 ６ 台冲 桩机 和２ 台履 带 式起 公式 属 于传 统 方法 ； 数 值方 法 一般 是 用 三 维有 限 元法 和 边 界元 法 ； 神 经 网络
指 导制定 相 应 的施 工方 案。
关键 词 ： 盾构 隧道 工程 ； 三维 有 限元模 拟 ； 地 表 变形 分析
１ 引言
历 经 百年 演变 ， 盾 构 法隧 道 施工 技 术 虽然 有 了很 大 的进 步 ， 但 仍 然 总是
施 工过 程 中 的应 力 与变 形 与工 序 、 组织 和挖 掘 速 度有 关 ， 要 根据 主要 矛 盾 对 实 际施 工进 行 简化 ， 使之 能便 于计 算 和 反映 主要 问题 。 ４ ． ２三 维有 限元模 型
施 工技术 与应 用
四日四日
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
盾构隧道 工程基 于三维有 限元模拟 的地表 变形分析
摘要 ： 针对 地 下结 构施 工 的传统 简 化方 法 的不足 ， 采用 三 维有 限元模 拟 计算 ， 对 盾构 隧道 施工 的整 个 过程 进行 有 限元 模 拟计 算 ， 得到盾构施工过程的土体 变形的相关预测结果以指导施工。本文结合盾构过广茂铁路项 目， 通过采用通用有限元软件Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 对盾 构 掘进 进行 了施 工 全过 程数 值模 拟分 析 ， 计 算 并分 析 了隧道 周 围土 体 的变 形位 移 情况 以及对 广 茂铁 路 路基 的影 响。 根 据计 算 结果
数值模拟边界为水平６ ０ ｍ， 垂直方向从盾构底部开始向下２ ０ ｍ； 由于隧道 引起地层扰动、 地层变形和地面沉降 ， 尤其是在软土盾构隧道中这种情况更 受构 造 应力 的 影 响小 ， 地应 力 场 按 自重 应 力 场 考虑 ； 边界条件为 ： 甚。 扰动所 引起的土体强度和压缩模量的降低将导致固结和次固结长时间沉 埋 深 不大 ， 下边界垂直方向约束 、 地表为 自由面 ： 围岩采用 降。 超 出一 定 范 围的地 层 变形 会对 附近 建筑 物 和地 下管 网 的安全 造 成严 重威 左右及前后边界水平约束 、
算法 和模 糊 数学 理论 的 系统 控制 论专 家 系统是 最 新 的方法 。 ３ ． ３ 预 测地 表 变形 的动 态 系统 法 重机， ２ ０ 天完 成导 墙施 工 。导 墙施 工后 期 插入 施 工连 续 墙墙 体 ， 计划 每 ２ 天完 成３ 个 槽段 ， ４ ６ 天时 间完 成全 部槽 段 。
通过 对 国 内外成 功经 验进 行 总结 ， 最 终 得 出造 成地 表 沉 降的 主要 因素是 在 盾构 法施 工过 程 中地 层损 失 的产 生引 起 了地层 移动 ， 原 因有 如下 几种 ： 开 挖 面土体 移 动 ， 发生 松动 或 崩塌 ， 破 坏 应力 平衡 ， 造 成地 层 的沉 降 或者 隆起； 施工中盾构后退 ， 造成开挖面塌落和松动 ， 地表 随之沉降， 采用降水疏 干时增加了土体的有效应力 ， 造成土体的再次固结 ； 盾尾空隙被土体挤进 ， 因 为 压浆 不 当 ， 盾 尾后 部 隧 道周 边 土体 被 迫 向盾 尾 坍塌 ， 造 成 了 地层 损 失并 引 起地层沉降； 盾构推进方向发生改变或 出现盾尾纠偏 、 仰头推进或 曲线推进 这 些失 误 ， 使 实际 开挖 面 形状 比设计 开 挖 面 大 ； 盾 壳 移 动造 成 的 与地 层 间 的
胁， 并 导 致岩 土环 境 出现 一连 串 问题 。 由此 可知 ， 盾 构施 工 对研 究周 围 地层 的 Ｄ Ｐ 模型 ， 数 值模 拟 分析 为 弹塑性 分 析 。模 型如 图 １ 所示 ：
扰 动机 理具 有很 重 要 的作用 。
２ 导 致盾构 隧道 施工地 表变 形 的主要 因素