摘要: 盾构施工会导致地层的沉降并会对周边的建筑产生影响，对其进行分析具有重要的工程价值。在综合考虑了现有的有限元模拟方法的基础上，结合济邵高速公路中开挖的隧道为例,根据非线性有限元法的基本原理,利用大型非线性有限元软件ANSYS 三维动态模拟隧道开挖的过程,计算结果揭示了在盾构推进过程中地表沉降分布以及特点,得到盾构法开挖引起的地表沉降曲线,其形态与Peck 计算得出的横向地表沉降槽正态分布曲线的形态基本一致。仿真结果揭示了隧道推进过程中的周围土体的移动规律、地表面水平位移及地面沉降规律、已建隧道管片应力变化规律。

　　关键词:盾构法;公路隧道;三维有限元法;地表沉降

　　Abstract: Considering the shield construction in tunnel engineering which had caused ground subsidence and impact on the building around which are valued. Based on the three dimensional nonlinear finite element model，taking a Ji-Shao freeway shield tunneling as an example , using ANSYS , a large nonlinear FEM software to simulate a 3D FEM model in the excavating process of the shield construction , then the curve of subsidence that caused by shield method construction had been calculated. The ground subsidence distributing characteristic had been revealed. The cross curve of subsidence that caused by the disturbance of soil was in accordance with normal distribution curve that induced by Peck. The rules of soil movement , ground settlement and axis displacement as well as distortion of adjoining tunnel during t he advance of shield we re worked out .

　　Key words: shield method; highway tunnel; 3D finite element method; ground subsidence

　　1.引言

　　随着隧道施工技术的不断完善，盾构隧道施工法在铁路、公路隧道以及城市地铁施工中得到越来越广泛的应用[1]。在盾构施工时，会导致周围地层的运动，地层移动一方面在地表引起不均匀的沉降，另一方面会直接引起地下结构的变化，当不均匀的变位发生时会产生附加应力。预测好控制盾构通过近距离结构物时所引起的地层变位，对于保证盾构施工的顺利进行和确保周围建筑的安全是盾构隧道设计与施工中非常关键的问题[2]。

　　国内外专家学者对盾构法施工的研究方法可归纳为:经验公式法、实测数据回归、室内模拟试验、数值模拟法等途径。盾构隧道掘进尤其是靠近盾构所在位置及其前方土体的位移是一个三维问题[3]。在隧道计算分析中, 按平面应变问题所建立的模型, 仅适用于已建成的隧道或者远离掌子面的洞身, 且其研究主要集中在隧道边墙及拐角的应力集中、位移及稳定性方面。三维数值分析可以从空间角度较为真实地模拟开挖过程, 更能够体现隧道的开挖对掌子面及掌子面附近岩体稳定性的影响。

　　有限元法由于具有能够适应复杂边界、非均质、非线性本构模型，分析结果全面详细等优点，被广泛运用于盾构隧道施工环境影响的模拟中。本文根据盾构法施工的特点结土地层的变形特征,结合济邵高速公路隧道为工程背景, 对隧道开挖过程进行了弹塑性三维有限元计算, 分析研究了隧道开挖全过程中隧道围岩应力、位移变化规律以及开挖结束后隧道周边的应力、位移状态, 并参照工程实际观测结果进行了相关的讨论。

　　2.三维有限元法对盾构隧道施工过程的模拟

　　2.1 土压平衡盾构的工作原理

　　土压平衡式盾构隧道施工的工作原理为主要包括以下几个步骤：首先由前面的旋转切削刀盘开挖前方土体,同时千斤顶推动盾构向前推进,通过盾构的推进力给切削土体加压,使其作用于整个开挖面来维持开挖面的稳定;其次，由螺旋机向后出土,通过调节出土速率来调整土压仓中的土压以维持开挖面土压平衡;然后由千斤顶推动盾构前行同时将注浆材料注入建筑空隙防止隧道周围土体的挤入;最后盾构向前推进一个管片长度后,收缩千斤顶拼装管片,待管片拼装完毕后将千斤顶支撑在新拼装管片上准备下一步的推进。

　　2.2 隧道开挖过程有限元模拟的原理

　　首先计算出隧道开挖前的初始地层的应力状态, 根据各单元的初始应力利用公式1计算出等效的节点力[4,5]。

(1)

　　式中Ω为积分空间，B为应变矩阵;σ0单元初始应力向量。

　　在各施工阶段的状态, 有限元分析的表达式为:

(2)

　　式中: L 为施工步数;[K]0 为开挖前岩体等结构的初始总刚度矩阵;[K]i(i>1)为第i施工步岩土体和支护结构总刚度矩阵;{⊿Fr}i为第i 施工步开挖边界上的释放荷载的等效结点力, 初次开挖由岩体自重、地下水荷载、地面超载等确定, 其后各开挖步由当前应力状态决定;{⊿Fg}i为第i施工步新增自重等的等效结点力;{⊿Fp}i为第i 施工步增量荷载的等效结点力;{⊿δ}i为第i 施工步的结点位移增量。

　　对每个施工步, 增量加载过程的有限元分析的表达式为

(3)

　　式中M 为各施工步增量加载的次数;[K]ij为第i施工步中施加第j增量步时的刚度矩阵;aij 为第i施工步第j增量步的开挖边界释放荷载系数,{⊿Fg}ij为第i 施工步中施加第j增量步新增自重等的等效结点力;{⊿δ}ij为第i施工步中施加第j增量步的结点位移增量;{Fp}ij第i施工步中施加第j增量步增量荷载的等效结点力。

　　2.3 盾构法施工步骤的有限元模拟

　　盾构隧道的施工过程包括工作面开挖、盾尾衬砌环的拼装和盾尾空隙注浆填充等几个步骤。为了在现有计算条件下准确模拟盾构施工的过程，对影响施工的主要因素考虑进来进行仿真。具体做法如下：采用在掘削面施加顶进力的方法模拟开挖土体的移动;采用施加注浆压力的方法来模拟盾尾注浆过程;采用更换注浆层材料的方法来模拟盾尾注浆对盾尾空隙的填充效果。

　　3.仿真实例

　　3.1计算模型

　　本文利用有限元分析软件ANSYS,建立隧道的Drucker-Prager(DP)材料有限元计算模型，对济(源)邵(原)高速公路的一座隧道开挖过程进行仿真分。隧道设计为上、下行分离的两座独立隧道，隧道全为1080米。隧道几何线型与净空设计按车速80km/h设计。根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)确定：行车道：W-2C×3.75m;侧向宽度：(L左)：0.5m;(L右)：0.75m;检修道：J-0.75m(双侧，单洞行车前进方向两侧);隧道建筑限界净高：5.0m，检修道净高：2.5m。隧道区围岩以IV、V为主。由于地形限制，上、下行独立隧道相隔较远(58m)所以只对其中一条隧道的开挖进行仿真分析。采用土压平衡式盾构进行施工，根据工程实际,盾构外径取6.4m ,衬砌外径取6.2m ,即盾尾建筑空隙为0.2m ,衬砌每环1m宽,厚0.35m。普通衬砌环由钢筋混凝土管片构成, 混凝土强度等级为C60,抗渗等级为S12。盾构隧道顶部最大覆土厚度为20.5m。由于中间最大覆土层相对坡度不大，所以均设覆土厚度为20.5m，开挖长度为60m。隧道的一般断面结构的围岩、衬砌结构参数如表1所示。

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