地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析

分类号密级

UDC 编号

大连大学

论文题目:地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析

姓名 xxxxx

学号小胖虫

学科、专业土木工程

任课教师 xxxxxx

年级 2014

大连大学建筑工程学院有限元分析研究生课程论文

地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析

(大连大学建筑工程学院，大连116622)

摘要：盾构法己成为城市地铁施工中一种重要的施工方法，由施工引起的地表沉降及地层移动规律是盾构隧道设计和施工中非常关心的问题之一。本文基于ANSYS有限元软件建立3维力学模型对地铁盾构隧道掘进过程进行模拟，研究了盾构隧道推进过程中对周围地层和地表的影响以及这些影响的动态变化过程。预测和控制盾构通过地下时所引起的地层变化，有利于盾构机的顺利掘进和确保建筑物的正常使用。同时，其结果为相似的工程提供了理论借鉴。关键词：盾构隧道；动态变化；地层移动；地表沉降

1背景

随着我国现代化建设水平的不断提高，许多地区产生了诸如城市扩张、人口膨胀、交通拥挤、大气污染、噪音污染等一系列问题，如果继续开发地面交通将导致上述问题陷入恶性循环。合理开发利用地下空间已成为目前国内外公认解决建设用地与土地资源日益严重不足问题、促进社会可持续发展和环境保护的最佳途径。所以，地铁在现代化大都市的交通中占据越来越重要的地位。目前，盾构法正朝着全面机械化、自动化、智能化、地下大深度、特殊断面、特殊形态的方向发展。但无论盾构隧道施工技术如何改进，由于一方面盾构施工过程中要或多或少对围岩产生扰动，另一方面盾构施工环节较多，施工控制因素多，因此也难以避免地面隆陷及地层水平位移情况的发生。当盾构施工引起的地层沉降过大时，可能导致地表建筑物倾斜、地下管线断裂、地面、桥梁、道路等发生破坏，对周围环境产生不利影响。因为有限单元软件—ANSYS能系统地编成计算程序，很方便地处理复杂的边界条件，并具有计算准确可靠、适用范围广等优点。所以，有限元法在隧道中得到广泛应用，是地铁隧道分析的一种先进有效的数值模拟方法。

2工程概况及模拟方法

2.1地铁盾构隧道掘进的模拟方法

某地铁盾构隧道管片衬砌内径为5.4m，外径D=6m，埋深为2D。自上至下，根据土层的物性参数不同将其分为3层，各层的材料参数和层厚如下。

第一层：厚8m，E=3.94MPa，υ=0.35，ρ=18.28KN/m3。

第二层（隧道所在层）：厚18m，E=20.6MPa，υ=0.3，ρ=20.62KN/m3。

第三层：厚15m，E=500MPa，υ=0.33，ρ=21.6KN/m3。

施工中掘削面顶进压力为0.3MPa，盾尾注浆压力为0.15MPa。

2.2地铁盾构隧道掘进的模拟方法

对地铁盾构隧道掘进过程的模拟，目的在于研究盾构隧道推进过程中对周围地层和地表的影响以及这些影响的动态变化过程。为了准确地模拟这些影响，在数值模拟中应该将盾构施工对环境影响的主要因素考虑进来，具体做法如下：

(1)采用在掘削面施加顶进压力的方法来模拟开挖面土体的移动。

(2)采用施加注浆压力方法来模拟盾尾注浆过程。

(3)采用更换注浆层材料参数的方法来模拟盾尾注浆对盾尾空隙的填充效果。

温度场模型需要满足的条件如下：

(1)几何相似。温度场模拟的外部边界应和所研究渗流区域的外部边界在几何上相似。当渗流区域为均质岩层时,那么模型也应该是均质的;当渗流区域为非均质岩层时,那么就要求模型中不同导热介质的分界线应该与非均质岩层的分界线也要保持一致。

(2)边界条件一致。温度模拟模型的绝热边界与渗流区域的隔水边界相对应。导热边界和透水边界相对应,导热边界上的温度和透水边界上的水头相对应。

3 模型建立和边界条件

3.1 模型建立

某地铁盾构隧道管片衬砌内径为5.4m，外径D=6m，埋深为2D。自上至下，根据土层的物性参数不同将其分为3层。基于Ansys 数值软件建立 3 维模型见图1。

图1 有限元3维模型

3.2 边界条件

模型的边界条件为四周固结，其中模型的左右侧边施加了x方向约束，前后面施加了z 方向的约束，上下面施加了y方向的约束。模型约束图见图2和图3。

大连大学建筑工程学院有限元分析研究生课程论文

图2 侧面约束

图3 上下面约束

4 数值模拟分析

为了养成良好习惯，自重应力场求解结束后，需要对结果进行初步检查，判断准确无误后再进行下面的计算。进去后处理器，得到Y方向的位移云图，见图4。

图4 自重应力下Y方向的位移云图

4.1 地层位移分析

利用Loadcase.mac中的命令可以得到地表沉降。如图5-7所示，显示了第2步、6步、9步的地层位移图。可以看出位移的最大值出现在隧道的拱顶和仰拱处，其中拱顶产生最大下沉约3.3cm。

图5 第2步开挖引起的地层位移

大连大学建筑工程学院有限元分析研究生课程论文

图6 第6步开挖引起的地层位移

图7 第9步开挖引起的地层位移

4.2 地表沉降分析

利用Loadcase.mac中的命令还可以得到地表沉降，通过更改Loadcase.mac中的工况号，可以得到不同时刻的地表沉降，如图8-10所示。从中可以看出，在盾构机的顶进作用下，地表发生了前隆后沉的现象。随着盾构机的推进，开挖面后方的沉降槽越来越宽，最大沉降量也越来越大，隆起区域也逐步向前推进。

图8 第2步开挖引起的地表沉降图9 第6步开挖引起的地表沉降

大连大学建筑工程学院有限元分析研究生课程论文

图10 第9步开挖引起的地表沉降

5 结论

（1）盾构法隧道施工过程中引起的周围地层变形具有明显的三维特征沿隧道、横向、纵向不同位置隧道周围土体的水平和竖向位移变化很大；

（2）隧道孔上方土体产生了向隧道方向的位移，隧道孔底端下方土体也有向隧道孔移动的较小位移；隧道孔高度范围内的土体则发生了远离隧洞方向的位移，最大侧向位移发生在隧道水平轴线处，即隧道埋深的位置。

（3）隧道顶端大部分土体发生与盾构推进方向相同的位移。隧道底端的土体也产生了与盾构推进方向相反的较小位移;隧道孔高度范围内的土体发生与盾构推进方向一致的变形。

参考文献

[1] 王军,缪林昌. 地铁盾构隧道穿越既有铁路隧道的数值模拟[J]. 现代交通技术,2011,05:66-69.

[2] 李泽荣. 地铁盾构施工引起地表沉降的数值模拟研究[D].西安科技大学,2009.

Numerical simulation analysis of the process of metro shield

tunneling mining

(Dalian University, Dalian, 116622)

Abstract: The shield driving method has been one of the main construction methods in the urban tunnel. The soil sedimentations and ground movements caused by shield tunneling are the problems highly concerned in the design and construction process of shield tunnel. The three dimensional