地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析.docxVIP

文章编号: 1009－2269( 2015) 0 文章编号: 1009－2269( 2015) 01－0034－04 * 地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析 夏洋洋1，2 ，霍曼琳1，2 ，夏峰峰3 ( 1． 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070; 2． 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070; 3． 中铁十八局集团有限公司，天津 300222) 摘要: 结合南京某越江地铁区间盾构隧道工程实例，采用大型有限元软件 ANSYS 进行地铁盾构隧 道掘进施工过程三维仿真分析，在此基础上，就盾构隧道掘进施工引起的地层位移、地表沉隆和管 片衬砌结构的内力 3 个方面进行了分析，为地铁区间盾构隧道施工及监控量测提供了参考． 关键词: 盾构隧道施工; 三维有限元; 沉隆变形 中图分类号: U455． 43 文献标志码: A 围地层的影响，在数值模拟中应将盾构施工对环境 影响的主要 因 素 考 虑 进 来． 包括千斤顶的顶进压 力、盾尾注浆过程盾尾空隙的填充效果等． 本研究 在模拟当中，开挖面土体的移动通过在掘削面施加 顶进压力的方法来模拟; 盾尾注浆过程通过施加注 浆压力的方法模拟; 盾尾注浆对盾尾空隙的填充效 果通过更换注浆层材料参数的方法模拟，这样即可 0 引言 盾构法修建地铁隧道具有安全、可靠、劳 动 强 度低及对环 境 影 响 小 等 优 点［1］，已成为地铁建设 的主流施工方法，受到地下工程界越来越广泛的关 注． 模拟地铁盾构隧道掘进过程，目的在于研究盾 构推进过程中对地表及周围地层的影响，以及这些 影响的动态变化过程． 在国内外有很多学者已有了 深入研究，如文献［2］按平面方法模拟研究了盾构 施工过程，文献［3］考虑接触问题的三维有限元模 拟，文献［4］用 边 界 元 分 析了地面三维沉降，文 献 ［5］考虑土体和钢筋混凝土材料的 弹 塑 性 性 质 文 献，文献［6］采 用 FLAC3D 有 限 差 分 法 对 盾 构 过 程 进行动态模 拟，数值模拟结果跟实测结果吻合较 好． 文献［7］采 用 自 编 非 线 性 程 序，对 盾 构 推 进 过 程结构进行了三维有限元 模 拟，文 献［8］考 虑 环、 纵向接头不连续性的三维盾构隧道有限元模型等． 本文结合南京地铁某区间盾构隧道工程，就盾构隧 道掘进施工引起的地层位移、地表沉隆和管片衬砌 结构的内力三个方面进行了分析． ［9］． 实现盾构隧道的掘进过程模拟 2 2． 1 三维有限元仿真分析 工程概述 南京地铁某 区 间隧道的管片外径 6 200 mm， 内径 5 500 mm，厚度 350 mm，环宽 1 200 mm，最大 楔形量 37． 2 mm，每环由 3 个标准块，2 个邻接块， 1 个封顶块拼 装 而 成，平 面 曲 线 拟 合 通 过 左、右 转 弯环和标准环的组合来拟合． 预制衬砌钢筋混凝土 管片: 强度等级 C50，抗渗等级 P10． 根据南京地铁 盾构区间的埋深情况，选取覆土厚度仅为 7 m 的不 利工况进行分析，根据土层的物理参数不同将其综 合分为 3 层，各层的材料参数和层厚见表 1． 1 模拟方法 为了准确地模拟盾构推进过程中对地表及周 2． 2 建模情况 考虑到模型边界效应影响，取左右边界为盾构 * 收稿日期: 2014-07-11 作者简介: 夏洋洋( 1984-) ，男，河北邢台人，硕士生． 夏洋洋等: 地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析第 1 期·35·隧道外径的 4 ～ 5 倍，下边界为隧道外径的 4 ～ 5 倍 左 夏洋洋等: 地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析 第 1 期 ·35·  隧道外径的 4 ～ 5 倍，下边界为隧道外径的 4 ～ 5 倍 左右，即隧道水平方向计算范围为 70 m，下边界为 25 m，竖 向 总 高 度 为 40 m，隧 道 掘 进 方 向 长 72 m ( 共计 60 环管片，每环 1． 2 m) ． 边界条件为: 左右 两侧所 有 节 点 施 加 X 方 向 约 束，底 面 节 点 施 加 Y 方向约 束，前、后面上所有节点施加 Z 方 向 约 束， 上面为自由面． 其建模情况如图 1 ～ 3 所示． 表 1 盾构隧道穿越土层段围岩计算参数 容重 γ / kN / m3 层数 弹性模量 E / MPa 泊松比 ν 层厚 / m 第 1 层 第 2 层 第 3 层 7． 10 9． 53 10． 06 0． 38 0． 38