隧道盾構(gòu)法施工的三維有限元數(shù)值模擬分析

程 彬 盧 靖

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隧道盾構(gòu)法施工的三維有限元數(shù)值模擬分析

程 彬1盧 靖2

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

根據(jù)有限元的基本原理，對(duì)隧道盾構(gòu)法施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，研究了盾構(gòu)施工推進(jìn)過程中隧道圍巖的應(yīng)力、位移和地表的沉降及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況，為以后的設(shè)計(jì)和施工提供相關(guān)依據(jù)。

ANSYS，有限元，數(shù)值模擬，隧道，盾構(gòu)法

隨著大型有限元軟件的迅猛發(fā)展，近年來隧道的設(shè)計(jì)水平也相應(yīng)得到了很大進(jìn)步，通過計(jì)算機(jī)的三維數(shù)值模擬分析，使我們?cè)谑┕で昂罂梢赃M(jìn)行工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立施工動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，減小施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)工作提供更進(jìn)一步的依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)盾構(gòu)法施工的研究方法可歸納為:經(jīng)驗(yàn)公式法、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸、室內(nèi)模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬法等途徑[1]。對(duì)隧道盾構(gòu)法施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，對(duì)盾構(gòu)施工過程中隧道圍巖的應(yīng)力、位移和地表的沉降及管片結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了研究，為以后的設(shè)計(jì)和施工提供相關(guān)依據(jù)。

1 工程概況

本工程為陜北某鐵路專用線一長(zhǎng)約200 m的隧道，由于其進(jìn)口位置地勢(shì)起伏不大，為使計(jì)算方便，本文取進(jìn)口位置長(zhǎng)60 m進(jìn)行分析。地層從上至下，根據(jù)地層的物性參數(shù)不同將其分為3層，第①層為黃土，厚度約10 m，第②層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，厚度約20 m，第③層為弱風(fēng)化砂巖，厚度大于20 m。隧道埋深約15 m，洞身位于第②層強(qiáng)風(fēng)化砂巖中，隧道襯砌內(nèi)徑為5.4 m，襯砌厚度為0.6 m。各圍巖的分布及主要物理、力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

本模型取寬為60 m，長(zhǎng)為60 m，高為45 m進(jìn)行模擬計(jì)算，共計(jì)11 920個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)13 264個(gè)。單元采用ANSYS中的Solid45單元，其模型及單元?jiǎng)澐忠妶D1。

本次數(shù)值模擬的約束邊界條件為：前后、左右施加水平方向的位移約束,頂部為自由端，下部為豎直方向的位移約束。

本模型采用全斷面開挖, 每次開挖長(zhǎng)度為6 m，隨后進(jìn)行襯砌施工。在數(shù)值模擬分析過程中,利用ANSYS軟件中的生死單元,模擬隧道在開挖過程中的真實(shí)受力情況。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

在開挖前在重力作用下Y方向的位移見圖2。圖3～圖5為施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m時(shí)各地層在Y方向的位移云圖。從圖中可以分析出：各地層豎向位移的最大值出現(xiàn)在隧道的拱頂和仰拱處，并且隨著隧道的開挖，其豎向位移逐漸變大。當(dāng)隧道貫通時(shí)，其中拱頂產(chǎn)生最大下沉約0.343 m，仰拱處產(chǎn)生最大上隆約0.343 m。從中可以看出盾構(gòu)法比其他施工方法在隧道施工過程中的優(yōu)勢(shì)。

圖6～圖8為隧道施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m時(shí)地面沉降云圖。從圖中可以看出：隧道向前推進(jìn)的過程中，已開挖段的地表會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的沉降，其沉降量為0.002 m～0.025 m，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)在向前推進(jìn)時(shí)，對(duì)前方土體產(chǎn)生一定的擠壓作用，使得前方一定范圍內(nèi)地表出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象，其隆起量可以忽略不計(jì)(0.001 m～0.006 m)。由此可見盾構(gòu)法在淺埋隧道施工中對(duì)地面的影響非常小，所以在許多地下工程中，尤其是城市地鐵施工，盾構(gòu)法的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖9～圖11為隧道施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m時(shí)襯砌的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出：襯砌應(yīng)力最大值主要在左、右兩側(cè)，說明襯砌主要受力是水平方向的力。洞口位置的應(yīng)力值要比中間段大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)隧道盾構(gòu)法施工的三維有限元分析，得到以下結(jié)論：

1)各地層豎向位移的最大值出現(xiàn)在隧道的拱頂和仰拱處，并且隨著隧道的開挖，其豎向位移逐漸變大。

2)盾構(gòu)法在淺埋隧道施工過程中對(duì)地面的影響非常小，所以在許多地下工程中，尤其是城市地鐵施工，盾構(gòu)法的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3)襯砌應(yīng)力最大值主要在左、右兩側(cè)，說明襯砌主要受力是水平方向的力。洞口位置的應(yīng)力值要比中間段大。

[1] 張海波,朱俊高.地鐵隧道盾構(gòu)法施工過程中地層變位的三維有限元模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(5):755，758.

On three-dimension finite element simulation analysis of tunnel shield construction

Cheng Bin1Lu Jing2

(1.Xi’anResearchInstituteCo.,Ltd,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup,Xi’an710077,China;2.ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710054,China)

According to the basic principle of the finite element, the paper undertakes the three-dimension numeric simulation analysis of the tunnel shield construction process, and researches the stress, displacement, and ground settlement, and lining structure in the jacking process of the shield construction, so as to provide some reference for following design and construction.

ANSYS, finite element, numeric simulation, tunnel, shield method

2015-04-20

程 彬(1981- )，女，碩士，工程師； 盧 靖(1979- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0143-02

U455

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