盾构隧道开挖引起的地表变形分析

本项目的特色与创新之处
运用ANSYS对盾构隧道开挖过程进行有限 元分析的同时，采用弹性力学中的明德林解对 盾壳与土体的摩擦力引起的地表变形进行分析 计算，使计算结果更加符合工程实际，从而更 好地预测开挖引起的地表变形，为工程的设计 提供更为可靠的信息。
Байду номын сангаас
预期的研究进展
2006.12— 2007.3， 收集资料，确定模拟路线。 2007.3—2007.9，进入课题具体实施阶段，建 模、编程并调试、计算出结果并与实际工程对比 分析。 2007.9—2007.12，整理数据和研究过程，撰写
课题总结报告并发表论文。
二、研究基础
现有的研究工作基础、条件及手段
本人在硕士阶段学习了岩土工程的专业知识， 具有一定的理论基础，并且曾应用过有限元软件 ANSYS，对该软件比较熟悉，会使用。同时现工 作于岩土教研室，与同事和资深教师交流方便， 利于获得相关的指导和帮助。
软硬件设施齐备。
预期的研究成果形式
国内外研究现状分析
研究隧道施工引起的土体变形主要有经验法、 解析法和有限元法三种方法。
经验法
研究隧道施工变形的经典预测理论与方法是美 国Peck教授于1969年提出的经验公式：
S ( x)Smax exp( x2 / 2i2 )
Smax Vi /(i 2 )Vi /(2.5i)
自此以后的众多专家、学者所从事的研究工 作都是遵循这一认识规律，包括对地层的二维和 三维变形预测分析研究工作，如Wataru、Osamu、 Mair等。
二、研究内容
研究目标、内容和拟解决的关键问题
研究目标：得到隧道开挖的横向地表变形曲线 。 研究内容：利用ANSYS对隧道的开挖过程进行二维
有限元模拟，主要是采用应力释放法模拟隧道的动 态开挖；用明德林解计算纵向摩擦力引起的地表变 形，用于弥补盾构开挖二维有限元模拟的不足，用 MATLAB语言编程进行计算。 拟解决的关键问题：有限元模型的建立和明德林解 模型的建立。
一、立论依据
项目的研究意义
当今，随着经济及基本建设的飞速发展，城市 规模的不断膨胀导致人类生存的空间越来越小， 尤其是因日益紧张的交通压力引发的各种社会及 经济问题越来越多，越来越突出，这就迫切要求 城市向地下空间拓展。
盾构法已经成为隧道开挖的主要方法
在复杂混合式地层掘进的盾构机
国内盾构法直径最大的翔殷路隧道
拟采取的研究方法、技术路线、可行 性分析
研究方法和技术路线：收集国内外相关资料， 详细了解盾构施工过程，根据实际工程建立 有限元模型，用逐步的应力释放法来模拟隧 道的开挖过程，而后ANSYS编程进行计算。 将计算结果和经验公式进行对比分析后得出 结论。
可行性分析：有限元法具有实用性强且非均质、 非线性、复杂边界问题方面等突出优点，有限 元法已被广泛应用于地基基础工程、地下工程 和基坑工程等各类土工构筑物的性状分析。由 于盾构法开挖隧道所引起的土层变形为小变形 问题，所以可以用有限元法进行模拟，得到的 结果是可靠的。ANSYS软件可以计算非线性材 料的问题，用它来进行分析是可行的。
盾构法隧道的施工不可避免地引起地层的扰 动，引起周围土体应力和应变状态的改变，从而 引起地层变形和地面沉降。当盾构法隧道施工引 起的地层变形超过一定范围时，就会严重危及临 近建筑物、道路和地下管网的安全。所以在设计 施工阶段，非常有必要预测隧道施工引起的地层 变形，保护现有结构物和地下管线，使之免受隧 道施工的影响，这就需要深入研究盾构法隧道施 工对土体的扰动机理以及产生的地层变形，从而 采取相应的措施减小变形，降低对周围环境的影 响，得到良好的综合效益。
在国内，同济大学在大量工程现场检测数据 的基础上，考虑到土体扰动后固结沉降的变化规 律，对计算横向沉降的变形公式进行了修正，通 过设定时间因子可以计算出施工完成一定时间后 的地表沉降。
解析法
对于实际工程中的各种复杂情况，经验公式 缺乏理论基础，并且具有一定的局限性，如对不 同的地层条件，不同的施工方法缺乏适用性，并 且对于水平位移和竖直位移只能提供有限的信息。 用解析法就比用经验法更能获得需要的信息，这 些方法主要包括Sagaseta（1987)、Verruijt和 Booker(1996)、Loganathan和Poulos(1998)、 Bobet(2001)给出的解析方法。
有限元法
有限元法可以克服经验方法的许多限制条件， 因此，有限元法在盾构法隧道施工变形的计算分 析中被广泛应用，对隧道开挖进行二维和三维有 限元模拟 。从大量的有限元数值解的研究进展来 看，尽管在有限元方面取得了很大的进展，但三 维隧道施工分析仍面临很多弱点，如土体本构模 型方面的缺陷以及土体参数选择的任意性，而且 预测方法难于在足够多的工程中应用。同时三维 有限元分析是非常复杂的，而且耗时多，不易得 到成果，更不利于工程实际应用。
撰写课题总结报告，并在省级或省级 以上刊物发表论文一篇。
讲述完毕！ 谢谢！