浅埋盾构隧道地层变形数值模拟分析
盾构掘进地层变形原因分析与施工控制
盾构掘进地层变形原因分析与施工控制关键词: 盾构; 地层变形; 掘进参数北京地铁在5号线施工中首次采用盾构法进行地铁区间隧道的掘进，下穿城市中心区域，在这些区域中有很多是老旧城区和中心商业区，对于地层变形和地面沉降的控制要求极为严格，因此很有必要对盾构掘进过程中地层变形和地面沉降的规律进行细致分析，并采取相应的施工方法与技术措施进行控制，以满足盾构施工过程中的环境要求。
1 地层变形原因分析盾构法隧道施工引起地层变形的基本原因可归纳为以下几个方面。
(1) 开挖面土体的移动: 当隧道掘进时，开挖面土体的水平支护应力可能大于或小于原始侧压力，开挖面前方土体从而会产生下沉或隆起。
(2) 建筑空隙引起的沉降: 土体挤入盾尾空隙，由于向盾尾后面隧道外围建筑空隙中压浆不及时、注浆量不足、压浆压力不适当，使盾尾后坑道周边土体失去原始三维平衡状态，引起地层损失; 盾构在曲线中掘进，或纠偏掘进过程中实际开挖断面不是圆形而是椭圆形，故引起地层损失; 盾构在土体中移动，盾壳表面粘附着一层粘土，推进时盾尾后隧道外围形成的空隙大量增加，如不相应增加注浆量，地层损失将增加。
(3) 衬砌变形和沉降: 在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量地层损失，当隧道衬砌沉降较大时会引起不可忽略的地层损失，衬砌渗漏也引起沉降。
(4) 受扰动土体的固结再沉降: 由于盾构掘进过程中的挤压作用和盾尾注浆作用等因素，使周围地层形成超孔隙水压区，需经过一段时间后才能消散复原。
在此过程中因地层发生排水固结变形引起地面沉降。
2 地层沉降控制方法2.1 地层状况及沿线建构筑物调查若要在施工过程中达到有效控制地层沉降的目的，首要的先决条件就是在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响范围内的地层状况及沿线建(构)筑物进行调查，在获得相关的原始资料后，对地层条件及沿线建(构)筑物的状态进行评价分级，并结合相关规范要求，进而确定其在施工过程中为确保地层及建(构)筑物的稳定而应达到的控制标准。
浅埋偏压隧道开挖数值模拟与监测分析
浅埋偏压隧道开挖数值模拟与监测分析论文
本文介绍了一种利用数值模拟和监测分析来开挖浅埋偏压隧道的方法。
在这种方法中，数值模拟被用来预测浅埋偏压隧道的变形行为，而监测分析则是对浅埋偏压隧道实际变形行为进行实时研究。
数值模拟可以帮助预测浅埋偏压隧道变形与正常变形之间的差异，而监测分析可以根据实时测量结果进行调整，从而精确控制浅埋偏压隧道的开挖过程。
首先，数值模拟是在浅埋偏压隧道开挖中使用的最常见的技术之一。
数值模拟模型可以模拟出浅埋偏压隧道的变形行为，并根据实际工程设计对该变形行为进行准确的预测。
通过对该模型进行精确的预测，可以确保在开挖过程中变形超出预定范围的情况及时被发现，及时采取切实有效的措施，以免给后续施工带来损失。
其次，数值模拟开挖过程中，需要采用实时测量系统的技术进行监测分析。
实时测量系统可以实时获取浅埋偏压隧道的变形数据，通过监测分析结果，可以进一步仔细分析变形动态及变形特征，从而为开挖过程中能够更好地控制速度和变形提供参考。
最后，通过综合运用数值模拟和监测分析技术，可以有效地控制浅埋偏压隧道的开挖过程，减少变形量，确保安全施工。
通过本文的研究，我们可以有效地使用数值模拟和实时测量系统在浅埋偏压隧道的开挖中控制变形，并为今后的开挖工程提供参考。
浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析
浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析摘要: 地铁隧道施工中, 隧道开挖程序、施作的步骤对隧道稳定性及地表沉降影响显著。
北京地铁 10 号线某标段浅埋单洞双层隧道, 是出入口通道与车站中洞、旁边单层侧洞相接的暗挖部分, 单、双层转换, 初支结构形式和施工都很复杂。
目前国内外对单洞双层隧道分析较少, 与车站和通道相连接的这种单洞双层隧道比较短, 对它的分析往往被忽视。
对采用 3 层 6 导洞的 CRD 工法施工的这种浅埋单洞双层隧道的施工性态进行数值模拟, 分析该区域隧道施工引起的地表沉降, 探索一次性开挖成洞及隧道分步开挖引起的地表沉降槽的变化形态, 拱顶沉降及拱顶主应力的变化规律。
数值分析表明: 施工工序不同使隧道的偏挖引起的沉降槽向未开挖一侧偏移, 此过程中地层最大沉降并不发生在隧道中线处, 而是完成全部开挖, 地层变形稳定后, 其累计沉降最大值位于隧道中线处。
隧道开挖衬砌完全施作后, 地表沉降变化不大, 但是后续开挖步引起的结构内力应予以重视, 尤其对于中隔壁支撑及拱底衬砌的支护, 要及时施作拱底二次衬砌。
研究结果为单洞双层隧道分步施工控制地表变形和洞周位移提供参考依据。
关键词: 浅埋暗挖隧道;单洞双层; 施工性态; 数值模拟; 地表沉降引言在地铁隧道施工中, 由于隧道开挖将造成土体应力重分布, 因此在一定的土体环境中, 隧道的开挖方式对隧道稳定性及地表沉降影响尤为显著[1]。
不同的施工程序, 在时空上相当于荷载以不同的方式施加在隧道上[2], 尤其对于浅埋隧道, 覆土厚度较小, 围岩松散, 自承能力差, 隧道开挖引起很大的地表沉降, 往往造成周边建筑物破损、倾斜甚至倒塌。
因此研究隧道施工工序对隧道稳定及地表沉降的影响具有重要意义[3]。
本文即对北京地铁 10 号线某标段单洞双层通道的施工工序引起的地表沉降及拱顶沉降进行了数值模拟与分析。
1 工程简介北京地铁 10 号线某标段与车站结构相联部位设 4 个出入口通道, 每个通道在中洞和侧洞之间的部分为单洞双层通道, 其余部分为单层通道, 均采用暗挖法施工。
呼和浩特地铁2号线浅埋暗挖隧道施工引起的地层变形分析
2047.5
粉土
3.2
21.6
2.1
1.8
3.6
2068.5
细砂
6.6
33.0 3.0
0.0
10.3
2006.6
黏土
2.6
17.5 0.0
2.6
4.1
2058.0
ห้องสมุดไป่ตู้
细砂
7.5
36.0 3.0
0.0
10.3
2006.6
中砂 10.6 36.0 5.1
0.0
16.5
2058.0
表 2 支护结构物理力学参数
地表沉降值随着开挖过程的推进不断变大，沉降变形 曲线以隧道中心线为对称轴，最大值出现在拱顶处，约为 24.138mm，小于规范和设计允许值，隧道开挖造成地面沉 降的影响范围为隧道中心左右两侧各 25m。■
参考文献 [1] 李成伟 . 盾构隧道垂直下穿管线变形因素分析及控制技术研究
[J]. 工程机械与维修 ,2020(05):92-93.
3 现场实测
在本隧道开挖时，在海拉尔大街的中央分隔带设置了 监测点来监测隧道开挖过程中的地表沉降。以海拉尔大街 中心点为对称轴，每个 5m 设置一个监测点，共计 9 个监测 点（JM-1 ～ JM-9），测量范围为隧道中心左右两侧各 20m
CM&M 2021.04 163
用户·施工 CONSUMERS & CONSTRUCTION
0 引言
地铁隧道施工会将原有的土体平衡打破，产生应力重 分布现象 [1-3]，引起周边土体的沉降变形。地表沉降会对周 围建筑物产生安全隐患，过大的变形甚至会导致建筑物的 坍塌，因此在施工期对地表沉降的监测显得尤为重要 。 [4-7] 除了现场实测外，常见的沉降预测方法有有限元法、解析法 和经验法 [8-12]。其中经验法以 Peck 公式为代表，国内外近些 年对其研究主要集中在公式及其参数修正方案领域 [13-15]，但 各工程地质条件均不同，根据经验法得到的沉降数据与实 测数据之间差异较大，而有限元模拟法在地铁隧道开挖方 面的适用性较强，应用范围较广 。 [16-17]
浅埋软岩覆土城市隧道变形规律数值模拟研究
土 体 的约 束 。岩 石 、 壤等 材料 一般 呈 不均 质 、 土 各
向异性 的非线性 型态 ， 们 的受压 屈服 强度 远大 于 它
受 拉 屈服 强度 ： 且材料 受 剪 时， 颗粒 会产 生膨 胀 。 此
外， 这类 结构 通 常都 处于 二维 或三 维 的复杂 应力状
态 。岩 体在 原始 应 力作 用下 处 于平衡 状 态 ， 当隧道 开 挖 时会使 围岩 应力 产 生较大 的变 化 ， 者 由于岩 或 体 强度 较低 ， 以至 于 围岩适 应不 了回弹应 力和 重分
析软件可有效的验证隧道设计参数。 高波等嘲 采用
软岩 工程 Biblioteka 铁道勘测与设计 Ｒ ＩＷ ＡＬ
Ｉ— ■■ 道勘 与 计 测 设
下 半 圆 ，分别 与 Ｘ轴呈 ４ ５。处 出现 了应 力集 中现 象 ， 值达 到 了 １ ７ ０ ａ 衬 砌部 分上 下侧所 其 ． ２ Ｘ １ ， ９ Ｐ 受应 力也 明显 比左右 侧高 ， 中下侧 承受应 力最大 ， 其 达 到 了 ２６ ．８× １ ａ 隧道 围岩 Ｘ方 向承 受 应力表 ０Ｐ ； 现 出 １ ０ ｃ 覆 土厚度 情 况下 显著 大于 ５ ０ ｍ 覆 ００ｍ ０ｃ 土厚 度情 况 ， 明覆土 越厚 ， 说 围岩 自稳 性越 差 ， 力 重 作用 引起 的应 力就 越大 。 两 种覆土 厚度 情况 Ｆ， Ｙ方 向应 力主 要 为随 深
的地表沉降分析 ［ ．岩 石力学与工程 学报 ，２ ０ ， ２（） Ｊ ］ ０ ３ ２ ８：
１ ７ １ ０１ ２９ ． ３ ．
度 的增加 逐渐增 大 ， 隧道 的开挖 对软岩 应力 也有 一
定 的影 响 ，衬砌 部分 最大 应力 出现 在两侧 ，其 中 ，
地铁盾构施工技术对地层变形影响的数值模拟
地铁盾构施工技术对地层变形影响的数值模拟盾构法施工法被广泛的应用在城市地铁隧道开挖施工中,但是由于开挖过程中难免会造成地层损失,引起临近结构及周边地层的变形,严重时会造成地表塌陷、管线破裂、墙体裂缝等不良现象,因此对盾构开挖引起的城市地表变形的规律的研究具有重大及深远的意义。
本文通过以西安城市地铁4号线尚新路站~北客站站区间隧道盾构施工作为研究的工程背景,采取各种研究方法相结合的手段,通过理论分析沉降的规律,现场监测变形规律以及结合使用有限差分软件
FLAC3D进行数值仿真模型模拟的手段展开研究,最后得出本文的研究结果及结
论如下:城市地铁隧道在开挖的过程中,隧道正上方铁路箱涵沉降槽的中部沉降值最大,远离隧道的箱体沉降值则逐渐减少,轨道沉降最大值约为4.54mm,接近
实测值,按已确定的控制标准可满足客专结构和运营安全。
通过3D模型数值仿真计算结果得出:隧道在先开挖左线单侧时,地表横断面的沉降会出现凹槽形状的沉降变形,而当进行左右双线隧道的开挖时其影响范围和沉降量则会有明显相互叠加效应,且地表沉降最终沉降值控制在6mm以内。
根据该区间段内的实际工程水文地质条件及盾构法施工的各类相关的参数,建立了相对完善的数值仿真模型。
通过对模拟结果的分析表明:施工参数对地面及箱涵沉降具有显著影响,由简单反分析可知,本次施工地层应力释放系数处于0.1~0.2之间,为后续工程提供施工模拟经验。
在采取综合控制措施的情况下,盾构机掘进客专涵洞的影响较小,盾构施工能够保证铁路的运行安全。
浅埋隧道施工过程数值模拟分析
８大管棚 超前支 护 ， 并利 用小 导管 注浆 来对 土体 进行 预 特点而发展起来 的。城市 浅埋地 下 工程 的特点 主要 是 ： 覆土 薄 、 采取 机０
Ｆ Ａ ． Ｄ计算原理简介 差、 承载力小 、 变形 快 ， 特别是 初期增 长快 ， 稍有 不慎极 易产 生坍 ２ Ｌ Ｃ３
浅埋 暗挖 法是在新奥法原理 的基础上 ， 针对城 市地 下工程 的 地质 条件差 （ 多是 未 固结 的土 砂 、 性 土 、 细砂 等 ） 自稳 能力 粘 粉 、
塌或 出现过大的下沉 。浅埋暗挖法施 工步骤 ： 先打 设管棚或 者超
粘土 、 泥质粘 土组 成 ， 淤 岩体整 体稳 定性很 差 ， 地下 水位高 ， 工 施
原则 。
然 后通 过运 动方程在 时域 内进 行求 解。节 点运 动方 程可 表示 为
如 下形式
（） ￡
ａｆ — ｍ ， 。
１ 工程概 况
天津地铁车站风机房位于城市 ８车道交通线 的下面 ， 风机 该
房为平顶大跨结构 ， 挖宽度 １ ．４ｍ， 开 ４ ７ 开挖 高度 ６ ４１， ． １最小埋 １ 深为 １８ｍ～２ ０ｍ， ５跨 １ ， ． ． 分 ０部 结构如 图 ｌ 所示 。
信息进行指导 ， 这对施 工 的安全 与质量 都是 重要 的。概括 起来 ， 设有界 面单元 ， 可以模拟节理 、 断层 或虚 拟的物理边界等 。 就是“ 管超 前 ， 严注浆 ， 短开挖 ， 强支 护 ， 封闭 ， 量测” 快 勤 的十八 字 Ｆ Ａ ￣Ｄ以节点为计算对 象 ， Ｌ Ｃ３ 将力 和质 量均集 中在节点 上 ，
其 中 ， （） ￡ 为在 ｔ时 刻 ｌ 点 的在 方 向的不 平衡 力分 量 ， 节 可 由虚 功原理导出 ； 为 ｌ 节点的集 中质量 ， 在分析 静态 问题 时 ， 采用虚 拟质 量以保证数值稳定 ， 而在分析 动态 问题时则 采用实 际
地铁隧道引起地面变形的数值分析方法 - 北京市勘察设计研究院
地铁隧道引起地面变形的数值分析方法1.本项目的研究目的和内容本项研究的最终目的在于提供解决隧道工程设计、施工过程中所遇到的复杂岩土工程问题的工程数值模拟方法，预测施工风险，从而规避风险，达到信息化施工的目的，保证工程的经济性和安全性。
数值模拟分析可以模仿真实的隧道开挖过程进行分析。
也就是对隧道开挖所涉及的围岩及其相邻的结构体（支护结构）以及开挖这种力学行为、力学特性、对岩土体地质构造特征以及对隧道施工过程进行全面的、逼真的数学上、力学上的计算机数值模拟分析。
在隧道工程中采用数值模拟分析的基本思路是：通过可调控的数理模型、几何模型、力学模型以及数值方法描述隧道工程施工过程中施工方法（盾构、矿山、新奥等等）、施工顺序对周围岩土介质力学特性、结构特征的影响，以及围岩的力学特性、结构特性的变化，对施工方案、措施的反影响，以便于确定出施工过程中任一部位、任一时刻的变形场、应力场、稳定性与安全度，为优化地铁隧道工程设计、施工方案，提供接近真实的，定量的科学依据。
本次研究的重点之一在于，通过比较目前存在的多个岩土体的本构模型，选取适合北京地区土质条件的力学模型，然后基于北京地区的工程地质特点，确定其关键参数的选取方法。
在选定过程中，不仅需要考虑模型自身的特点，还需要考虑其简单易用性，参数的可获取性，以便于应用于工程实际，以适应快速得到分析结果的工程要求。
基于我院长期在北京地区进行岩土工程实践的经验，对模型中关键的强度与变形计算参数提出确定方法，以求得尽可能和实际接近的结果。
本次研究的重点之二在于，寻求合理的采用数值分析软件模拟施工手段（开挖、施加支护）的方法。
开挖步序以及不同支护作用的真实模拟是本次研究的难点，特别是对于矿山法和盾构法施工。
同时寻求合理的简化模拟方法。
本质上本研究是一个三维问题，但是由于三维分析花费高，耗时长，为了满足工程的需要，本次研究将寻求将三维问题转化为二维问题的合理方法。
常用的“收敛限制法”（或称“应力消除法”）和“逐步软化法”是目前可以考虑的模拟简化方法，但其具体实现问题还需要进一步研究。
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浅埋盾构隧道地层变形数值模拟分析
发表时间：2016-06-27T10:59:16.443Z 来源：《基层建设》2016年5期作者：王川1 经根东2 [导读] 本文以石家庄地铁1号线为依托，运用数值模拟的方法对拱顶沉降、隧底隆起和隧道水平收敛进行了研究。
1.石家庄经济学院河北石家庄 050031；
2.南京坤拓土木工程科技有限公司江苏南京 210000 摘要：经过多年的发展，我国盾构法施工技术已趋于成熟并在城市地铁隧道中得到了广泛应用，由于地铁隧道多位于城市中心区域、人口众多、建筑物及市政管线密集分布，隧道埋置深度一般较浅，对地层和隧道结构的变形有着较高要求，有必要对浅埋隧道施工引起的地层变形特性进行研究。
本文以石家庄地铁1号线为依托，运用数值模拟的方法对拱顶沉降、隧底隆起和隧道水平收敛进行了研究，总结了浅埋盾构隧道施工引起地层变形分布规律和变形特性，对其他地铁线路的设计和施工有一定的借鉴意义。
关键词：盾构法；浅埋隧道；数值模拟；地层变形1 引言
随着经济的不断发展和城市化水平的不断提高，城市道路交通压力日益增大，交通拥堵成为城市发展过程中迫切需要解决的问题之一，为解决这一问题，我国在多个城市进行了地铁隧道的建设。
盾构法是一种较为先进的隧道施工方法，经过多年的发展，在我国已经得到了广泛的应用，盾构隧道施工一般是超挖进行的，隧道管片之间存在一定的缝隙，尽管施工中采取同步注浆和二次注浆措施来填补这一缝隙，但仍会造成地层的损失，引起围岩的变形和地面沉降。
由于地铁隧道多在城市中修建，人口众多、建筑物密集分布，对地层变形有着较为严格的要求，有必要对盾构隧道施工引起的地层变形规律进行研究。
本文以石家庄地铁1号线体北区间为依托，运用数值模拟的方法，对浅埋盾构隧道施工引起的隧道水平收敛、拱顶沉降和地表沉降进行了研究，得出了围岩地层水平位移和土层沉降的分布特征和变形特点，对盾构隧道的设计和施工有一定的借鉴意义。
2 工程概况
体育场～北宋站区间以体育场站为起点，由西向东沿中山东路敷设，至北宋站为终点，线路总长度936.54m，线路纵向坡度呈“V”字型坡，区间覆土厚度约9.2～13.1m，区间环境风险有民心河及跨河桥、DN1500×1500雨水方沟，采用盾构法进行施工，衬砌为C50混凝土管片，采取错缝拼装。
拟建工程场地位于太行山南段山前平原区，地形开阔平坦，地势总体上由西向东缓倾，地层主要为滹沱河冲洪积形成的第四季沉积物，具典型的多沉积旋回的特征。
根据地层沉积年代、成因类型划分为人工堆积层（Qml）、新近沉积层（Q4al）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）四大层。
本场地赋存一层地下水，类型为潜水，埋深大于45m，含水层为卵石层。
3 浅埋盾构隧道施工的数值模拟
3.1几何模型的建立
根据圣维南原理，隧道开挖会引起洞径3～5倍范围内应力重分布，故选取几何模型宽度为20m、高度为30m。
隧道边界条件为标准固定边界，在左、右边界限制其水平位移，下边界限制其竖直位移，上边界为自由边界，不限定其位移。
网格在隧道附近划分较细，在模型的边界则划分较粗，本次模拟共生成1780个节点、5652个网格。
衬砌采用具有一定轴向刚度和抗弯刚度的板模拟，各参数值根据相关隧道设计规范进行赋值。
3.2施工过程的模拟
浅埋盾构隧道的施工分为三个步骤进行模拟:首先，开挖掉隧道内土体，冻结对应的土层；然后，激活衬砌板单元和界面单元；最后，由于盾构隧道开挖多为超挖前进，衬砌与围岩不能紧密连接，存在一定的缝隙，尽管施工中多采取措施来消除这一缝隙，但仍存在地层的损失，本例中对衬砌采取2%收缩量来进行模拟。
3.3数值模拟计算结果
浅埋盾构隧道施工完成时地层位移云图如图3.1所示，从图中可以看出，当隧道开挖完成时，由于上部土体的卸荷作用，导致隧底土层的隆起，而隧道拱顶区域土体则因超挖现象下沉，隆起量和沉降量则分别在隧道底部和拱顶部位最大，分别为25.10mm和-19.78mm，并随着与隧道距离的增加而逐渐减小,影响范围为深度25m，宽度20m；隧道水平收敛在拱脚部位最大，拱顶和隧底处最小，最大值为17mm。
盾构隧道施工完成时地表沉降量如图3.2所示，其中横坐标为与模型中线的距离（m），纵坐标为沉降量（mm），从图中可以看出，地表沉降槽曲线形态上为一对称的、近似正态分布的曲线，距离隧道较近部位坡度较陡，沉降量较大，较远部位沉降量则相对较小，沉降槽宽度约为30m，最大沉降量为-6.14mm。
4 结论
文章通过有限元分析的方法，对石家庄地铁1号线体～北区间浅埋盾构隧道施工过程进行了模拟，并对施工结束时围岩的竖向位移、隧道水平收敛和地表沉降进行了分析，研究了施工引起的围岩土体的变形特性，特出了以下结论：
(1)浅埋盾构隧道施工会引起隧道跨径3～5倍范围内围岩应力、应变的重分布，符合圣维南原理。
(2)施工完成时，地层变形可以分为三个部分，隧道拱顶及以上区域以地层沉降为主，在施工中宜采取超前小导管注浆和大管棚支护等措施对地面沉降进行控制；当隧道穿越土层上硬下软时，隧底往往会产生较大隆起，可以通过加厚仰拱厚度来予以控制；隧道拱脚处变形以水平位移为主，方向指向隧道轴线，宜采取支护措施进行加固。
(3)地表沉降槽曲线为近似正态分布的、对称的曲线，在隧道附近较陡，随着与隧道距离增加而趋于平缓，对沉降较大区域应加强监测，防止安全事故的发生。
参考文献：
[1]赵佃锦、梁国庆等.高地应力隧道台阶法施工过程数值模拟.地下空间与工程学报，2014，（2）.
[2]卿伟宸、廖红建等.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响.地下空间与工程学报，2005，（6）.
[3]王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况.隧道建设，2010，（4）.
[4]缪林昌、王非等.城市地铁隧道施工引起的地面沉降.东南大学学报，2008，（2）.
[5]张志强、何川等.南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析.铁道学报，2005，（1）.。