地铁盾构隧道穿越建筑群的施工三维有限元分析
北京地铁五号线盾构法隧道施工的三维有限元数值模拟
北京地铁五号线盾构法隧道施工的三维有限元数值模拟
潘景副;李泽光;杨秀仁;胡社荣;张建旭;毋应利
【期刊名称】《矿产勘查》
【年(卷),期】2004(000)007
【摘要】应用非线性弹塑模型,以北京地铁五号线为背景,结合盾构技术的实际应用,在全面分析评价工程段地质条件的基础上,对盾构施工段进行了三维动态有限元数值计算,计算并分析了隧道周围土体中的应力、应变、塑性区分布及地表沉降等情况;同时通过对现场实测数据进行整理,初步揭示盾构施工对地层的整个扰动形变过程、主控因素和机理。
并将计算结果与实测结果进行了比较和分析,证实了有限元数值模拟已成为研究盾构法的一种快捷且有效手段。
【总页数】2页(P79-80)
【作者】潘景副;李泽光;杨秀仁;胡社荣;张建旭;毋应利
【作者单位】中国矿业大学北京校区;北京城建设计研究院;中国矿业大学北京校区;中国矿业大学北京校区;湖南农业大学工程技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】U455
【相关文献】
1.隧道盾构法施工的三维有限元数值模拟分析
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3.北京地铁五号线东单站暗挖隧道施工方案
4.北京地铁10号
线砂卵石地层盾构法隧道施工关键技术5.超浅埋盾构法隧道施工方案三维有限元分析
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盾构隧道工程基于三维有限元模拟的地表变形分析
图１ 计 算模 型
图２盾 构掘 进 １ ５ ｍ时地 层 位移 图
从 整个 施工 过程 模 拟分 析 可知 ，在 盾构 机 沿线 路 通 过路 基 的过 程 中 ， 计 ． ４ ｍ ｍ， 最 大 水平 位 移为 １ ． ９ ２ ｍ ｍ。 摩擦和剪切； 土体受施工扰动的固结作用 ， 次固结沉降持续若 干年 ， 软土 中次 算所 得 的路基 顶部 竖 向位移 最 大值 为６ ４ ． ３ 施 工 总体 工 艺流程 固结所 占沉降量之比较大； 正面障碍物随盾构推进而移动 ， 在盾构通过地层 本 明挖 段 及盾 构 始 发井 的施 工 计划 ，绝 对 服从 盾 构 掘进 施 工 的 基 本要 产生空隙时注浆不及时 ； 水土压力使隧道衬砌变形。 求， 以实现 总 工期 为 目标 。 明挖段 施工 分 为三 个 阶段 进行 。
３ 计算 地表 变形
３ ． １ 地 层 移动 特点
４ ． ３ ． １第一 阶段
第一阶段施工在 明挖段及始发井场地和组织有关的人员 、 材料和设备进 场。在１ ０ 天内完成围护结构施工的准备工作， 包括进场道路铺设、 水 电拉接 、 地层 的 大量 实测 资料 表 明 ， 地层 移 动可 根据 地层 沉 降 变化 曲 线大 致 分为 临设 布 置和 施工 测量 放 线 等。 盾构 到 达前 、 盾 构到 达 时 、 盾 构通 过 时 和盾 构 通 过 后 的瞬 时 地 面变 形 以及 地 准备工作完成后先进行地基加固施工 ：计划进场８ 台搅拌桩机， ４ 台从明 表后 期 固结 变形 等５ 个 阶段 。 挖 段两 端 向 中间 施打 ，另 外从 明挖 段 中 间 向两 端施 打 。每 台桩 机 每 天 完 成 ３ ． ２计算 方法 ５ ０ ｍ， ２ ０ 天 时 间完成 全 部搅 拌桩 。搅 拌桩 开 始施 ７ － ５ 天后 ， 从 腾 出的 工作 面 开 地表沉降的估算方法主要有 ： 开采矿 山引起地表变形 中采用的Ｒ． Ｂ ． Ｐ Ｅ Ｃ Ｋ ３ 始插 入 施工 地 连墙 的导 墙 ， 计 划配 置 ２ 台液 压抓 斗 、 ６ 台冲 桩机 和２ 台履 带 式起 公式 属 于传 统 方法 ； 数 值方 法 一般 是 用 三 维有 限 元法 和 边 界元 法 ； 神 经 网络
盾构隧道管片力学特性三维有限元分析_陈俊生
建筑技术
ห้องสมุดไป่ตู้
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 8 Mar． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.
盾构隧道管片力学特性三维有限元分析
2 计算结果及分析
图 5 管片与支承台之间的相互作用错缝 拼装形式管片
混凝土管片、支座和传力垫按照文献［7］的图
2. 1 计算结果 计算结果见表 2，各计算模型开裂形式见图 7。
在图 7 中，所有裂缝均为张开裂缝，圆环所在处均表 示管片张开裂缝的位置
表 1 计算模型
编号
荷载形式
模型 1 沿盾构推进方向千斤顶力
模型 2 沿盾构推进方向千斤顶力
模型 3 沿盾构推进方向千斤顶力
模型 4 管片外弧面均布压力 模型 5 沿弧长方向不均匀压力
模型 6 沿弧长方向不均匀压力
管片模型 半管片 半管片
整块管片
半管片 整块管片 整块管片
荷载及边界条件 管片与传力垫间紧密接触，没有间隙，是管片制作及施工均没有误 差的情况。每块传力垫有 1 360 kN 的顶力。 双千斤顶对应位置处管片与传力垫间有 1. 0 mm 的初始间隙，每 块传力垫有 1 360 kN 的顶力，是研究管片施工中出现极限状态时 的管片力学状态［4］。 侧边单千斤顶对应位置处管片与传力垫有 1. 0 mm 的初始间隙， 相邻的双千斤顶处管片与传力垫间有 0. 5 mm 的初始间隙，每块 传力 垫 有 1 360 kN 的 顶 力，是 施 工 状 态 时 管 片 配 筋 计 算 的 基础［4］。 荷载沿外弧面均匀分布。 荷载沿弧长方向比例为 1∶ 3∶ 1，峰值在弧长中线，量值为 4 500 kN / m2 。
隧道盾构法施工的三维有限元数值模拟分析
隧 道 盾 构 法 施 工 的 三 维 有 限 元 数 值 模 拟 分 析
程 彬
（ １ ． 中煤科工集团西安研究院有限公司 ， 陕西 西安
卢 靖
７ １ ０ ０ ７ ７ ； ２ ． 中铁西安勘察 设计研 究院有限责任公 司， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ５ ４ ）
摘
要： 根据有 限元的基本原理 ， 对隧道盾构法施工过程进行 了三维 数值模 拟分析 ， 研 究了盾构施工推进过程 中隧道 围岩 的应 力、
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
位移和地表 的沉 降及衬 砌结构受力情况 ， 为以后的设计和施工提供相关依据 。
关键词 ： Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ， 有限元 ， 数值模拟 ， 隧道 ， 盾构法
中图 分 类 号 ： Ｕ ４ ５ ５ 文献标识码 ： Ａ
随着大型有 限元 软件 的迅猛发展 ， 近年来 隧道 的设 计水 平也 第③ 层为弱风化砂岩 ， 厚度大于 ２ ０ ｍ。隧道埋 深约 １ ５ ｍ， 洞身位
相应得到 了很大 进步 ， 通 过计算 机 的三维 数值模 拟 分析 ， 使我 们 于第 ② 层 强 风 化 砂岩 中 ， 隧道 衬 砌 内径 为 ５ ． ４ ｍ， 衬 砌 厚度 为
在施工前后可 以进行 工程 风险评 估 ， 建 立施工 动态数 据 信息 ， 减 ０ ． ６ ｍ。各 围岩的分布及主要物理 、 力学性 质见表 １ 。 小施工 风险 ， 同时对设计工作 提供更进一步的依据 。 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
④衬砌
⑤ 注浆层
２ ． ５
２ ． １
２ ８ Ｏ ０ ｏ
ｌ ０ ０ ０
Ｏ ． ２
Ｏ ． ２
１ 工 程概况
下穿地铁隧道试验段施工过程的有限元分析
下穿地铁隧道试验段施工过程的有限元分析摘要：由于城市地表建筑物的密集分布，在地铁修建过程中，往往需下穿既有建筑物，由此对既有建筑物会造成一定程度的影响。
论文以哈尔滨地铁隧道为例，利用有限元分析软件模拟了隧道的动态开挖过程，并结合现场的监控量测资料，分析了隧道开挖过程中初期支护结构的稳定性，发现在掌子面附近断面应力、位移变化较大，隧道底部位移回弹值较大，洞口附近断面随着掌子面开挖进尺的推进，逐渐趋于稳定，但由于洞内断面测点埋设往往滞后于掌子面，造成量测数据在时间上的滞后现象，这在分析中应引起重视。
关键词：既有建筑物；试验段；初期支护；数值模拟近年来，随着我国许多大城市地铁工程的快速建设，新建地铁隧道下穿既有建筑物及其相互影响研究已成为地下工程研究的重要课题，为此国内外诸多学者对隧道在施工过程中与其相邻建筑物的相互影响做了许多研究，卿伟宸[1]运用同济曙光分析软件对地表建筑物沉降进行模拟分析，探讨了隧道埋深对地表沉降的影响规律以及隧道对地表建筑物沉降的影响范围；汪小敏[2]对软弱围岩隧道施工中的力学性态进行了计算机模拟与分析，发现隧道的支护方式对减少由开挖引起的扰动起着重要作用，采用台阶法开挖时的台阶长度一般在0.5倍洞径左右；杨珺博[3]利用Ansys有限元软件对穿江隧道开挖过程进行了三维动态模拟,分析了隧道拱顶沉降的特点和变化规律，即拱顶沉降随空间位置变化不太显著，隧道上层覆土固结程度越高拱顶沉降越小。
魏纲[4]采用有限元法对邻近建筑物工况下的暗挖隧道施工进行了模拟和分析，指出建筑物的存在会增大隧道开挖引起的地面沉降和衬砌的受力与变形，同时隧道开挖也会使邻近建筑物产生附加应力和变形；何海健[5]研究了地铁施工对邻近桥桩的影响与控制。
文献[6]中,Mroueh和Shahrour研究了城市隧道开挖对桥桩的影响，发现开挖会在邻近基桩中产生较大的内力，内力的分布则取决于桩尖与隧道水平轴线的相对位置以及基桩轴线与隧道中心线的水平距离；Cheng等对隧道-土-桥桩的相互作用进行了三维数值分析,当基桩与隧道中心线的水平距离大于两倍洞径时，隧道施工在基桩中引起的弯矩几乎可以忽略，而当基桩与隧道中心线的水平距离小于一倍洞径时，基桩中引起的弯矩会超过容许弯矩。
盾构法隧道衬砌施工阶段受力特性的三维有限元模拟_张海波
第26卷第6期 岩 土 力 学 V ol.26 No.6 2005年6月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2005收稿日期：2005-03-08作者简介：张海波：男，1977年生，河海大学岩土工程研究所博士生，主要从事岩土数值模拟及软土流变性质方面的研究工作。
文章编号：1000－7598－(2005) 06―0990―05盾构法隧道衬砌施工阶段受力特性的三维有限元模拟张海波1，殷宗泽1，朱俊高1，李翠霞2（1.河海大学 岩土工程研究所，南京 210098；2.山东水利职业学院，山东 曲阜 273100）摘 要：拼装衬砌是盾构隧道主要承重结构，其受力性能的好坏直接影响到隧道安全，因此，正确分析拼装衬砌的受力特征，对于衬砌的合理设计非常重要。
而且，施工阶段作用在盾构衬砌的荷载与使用阶段相比存在很大差异。
通过运用可以考虑接触问题的三维有限元对连续模型及通、错缝拼装的隧道衬砌在施工阶段的受力性能进行了分析，得出衬砌的应力变形规律，为盾构隧道衬砌的设计提供有益的参考。
关 键 词：盾构隧道；衬砌管片；受力特性；有限元模拟 中图分类号：TU 473 文献标识码：AThree-dimensional FEM simulation of shield-driventunnel lining during construction stageZHANG Hai-bo 1, YIN Zong-ze 1, ZHU Jun-gao 1, LI Cui-xia 2(1.College of Civil Engineering ,Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 2.Shandong V ocational Institute of Water Resources, Qufu 273100, China)Abstract: Jointed segmental concrete lining is the main bearing component of the shield-driven tunnel; its structural properties directly affect the safety of tunnel. So it is very important to understand the realistic structure behavior for the reasonably designing shield-driven tunnel lining. The load distribution on the tunnel lining during construction is significantly different from that during normal using. This paper uses the FEM program which can propose contact problems to simulate the bearing properties of the continue, sequence and stagger concrete lining during construction stage, to gain their stress and deformation rules which will provide useful reference for the design of shield-driven tunnel lining.Key words: shield-driven tunnel; segmental lining; bearing properties; FEM simulation1 引 言盾构隧道衬砌结构是一个由若干管片、管片间连接螺栓和填充材料组成的拼装结构，由于受到拼装形式（通缝、错缝）、接头刚度、接头数量等因素的影响其受力性能非常复杂，管片设计仍有很大难度。
隧道工程结构设计中的有限元分析
隧道工程结构设计中的有限元分析//////（安徽理工大学，安徽淮南232001）摘要：有限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法，已经成为解决复杂工程实际问题的重要手段，尽管隧道的洞型和施工工序均较为复杂，应用有限元分析仍不失为一种十分理想的方法。
采用有限元分析软件ANSYS14.5对隧道的受力情况作了静态的受力分析。
通过分析和计算,得出隧道的应力和应变的分布情况,为隧道的结构设计提供了理论依据,同时也展示了有限元分析应用于工程设计应力计算的方法,有一定的工程实用价值。
有限元核心思想是结构离散化，即将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
关键词：隧道；应变分布图；应力分布图；有限元分析The Finite Element Analysis in The Design of Tunnel Structure//////////(Anhui University Of Science & Technology,Anhui Huainan,232001)Abstract:The finite element technique as one of the widely used scientific methods of calculation,has become an important mean of solving the engineering problems.Although the hole type and construction process of the tunnel are more complex than before, the application of the finite element analysis is an ideal method. Using the finite element analysis software ANSYS14.5,the stress state of the tunnel shows itself.Through the analysis and calculation of the tunnel, the stress and strain distribution of the tunnel has been acquired,which provides a theoretical basis for structure design of tunnel.At the same time, the method of applying the finite element analysis,which is used to do the engineering design and calculation of stress, has its practical engineering value.The core idea of the finite element analysis is the discretization of structure,which means that hypothetically the actual structure is discretized into a finite number of rules of unit combination and can be based on the discrete analysis on the physical properties of the actual structure.Through that we can acquire the result of approximation precision engineering to substitute actual structure analysis.It can solve a lot of practical engineering complex problems which the theoretical analysis is unable to solve .Key words: Tunnel Project;Strain distribution;Stress distribution;The finite element analysis一、国内外研究现状国际早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。
盾构隧道管片力学特性三维有限元分析
中图法分类号
Ｔ ３ １ １ Ｕ １． ；
文献标志码
Ａ
管片 是 盾 构 隧 道 管 片 环 的 主 体 结 构 。从 施 工
与计 算机 技术 的不 断 发展 ， 用 有 限 元方 法 分 析 隧 采
道衬 砌受 力 已经 成 为 一 种 适 应 性 很 强 的方 法 。 利
到正 常使用 的过 程 中 ， 片一 般 承 受 的荷 载 包 括 主 管
足 尺试验 是研 究 管 片 力学 特 性 的 最好 方 法 ， 但
要 在试 验 中要 模 拟管 片 所 受 的 复杂 的荷 载模 式 、 量
值 及其 边 界 条 件 存 在 一 定 困难 。随 着 有 限元 理 论
２１ ０ １年 １ ２月 １ 日收 到 ９
环管 片 具体 布 置 及 相应 编号 见 图 １错 缝 拼装 形 式 ， 见 图 ２， 准衬砌 环各 管片 的角度 尺寸 见 图 ３ 标 。管 片 间及 管片环 间采 用 弯 曲螺 栓 连接 ， 成 错 缝 拼装 的 组
⑥
２ １ Ｓ ｉ ｅｈ Ｅ ｇ ． ０ ２ ｃ Ｔ ｃ． ｎｒ ． ｇ
建 筑 技 术
盾构 隧 道 管 片 力学 特 性 三 维 有限 元 分 析
陈俊 生 莫 海 鸿 黎 振 东。 ， ，
（ 华南理工大学 土木与交通学 院 ， 亚热带建筑科学 国家重点实验室 广州 ５ ０４ ， １６ ０
广 州 安德 建 筑构 件 有 限公 司 ， 州 ５ １３ ） 广 １４ ０
摘 要 采用三维有限元法 ， 以广州地铁使用 的管片为研 究对象 ， 将管 片在 施工 阶段受到 的千斤顶 顶力 、 不均匀注 浆压力和 正常使用 阶段受到 的土压力、 水压力 、 周围土层的弹性抗 力概 化为 ５种荷载 ， １ 共 Ｏ个计算模 型， 利用通 用有 限元软件 Ａ Ｉ Ａ， ＤＮ
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地铁盾构隧道穿越建筑群的施工三维有限元分析
摘要：土体本构模型直接影响到岩土数值分析的精确性。
论文基于修正剑桥模型，对天津地铁盾构隧道下穿某建筑群的施工过程进行了三维弹塑性分析，对上部建筑群的变形及地表沉降进行合理预测并指导施工。
关键词：盾构隧道；修正剑桥模型；有限元分析
中图分类号：tu478 文献标识码：a 文章编号：
abstract:the accuracy of numerical analysis for the geotechnical egineering is directly affected by the soil constitutive model. based on the modified cambridge model, the 3-d elasto-plastic analysis on thetian jin metro tunnel constrcuton by the shield method under buildings.the deformation of the buildings and the ground settlement are calculated, which can provide reference for the construction. keywords: shield tunnel; modified cambridge model; fem analysis
1工程概况
天津地铁5号线凌宾路-昌凌路区间隧道采用盾构法施工。
隧道穿越李七庄商业城4层建筑-1和3层建筑-2（局部为4层），两建筑的总长分别为153.7m和105.1m，总宽均为32.5m，两幢建筑间距29m。
经调查这些建筑为框架结构，浅埋条形基础，基础宽1.8m，埋深为2米，基础横向和纵向间距均为8m。
此段隧道埋深约为
19.8～18m，两隧道间距为15.1～24.1m，隧道内径为5.5m，管片厚度为0.35m。
隧道与地面李七庄商业城建筑群关系见图1。
图1隧道与地面李七庄商业城位置平面示意
为准确分析地铁5号线区间盾构隧道下穿李家庄商城时对既有上部建筑群所产生的影响，本文采用midas－gts软件按连续介质有限元方法进行弹塑性分析，通过建立全尺寸三维模型，根据盾构隧道施工的各施工步，采用“单元激活钝化”的方法控制隧道的开挖、隧道衬砌的修筑，最终对盾构穿越的上部李家庄商城建筑的变形做出合理预测并指导施工。
2 建筑物允许沉降标准
根据《建筑地基基础设计规范》[1]，对于框架结构房屋，以差异沉降和倾斜率为主要控制指标。
其指标为：工民建框架结构相邻柱基础的局部沉降差允许值为0.002l（l指相邻柱基础的中心间距，适用于中低压缩性土）和0.003l（适用于高压缩性土）；多层和高层建筑的整体倾斜率为0.004（建筑物高度m）或0.003（）。
由于本工程研究范围内的各层土体均为中压缩性土，且上部建筑物的高度均小于24m，因此，建筑物差异沉降和倾斜率允许值分别取0.002l和0.004。
3分析模型
3.1土体的本构模型及计算参数
本工程分析土体主要采用采用修正剑桥模型[2]进行计算。
修正剑桥模型较好的阐明了土体的弹塑性变形特性，合理考虑了土体加
载和卸载行为，是应用最为广泛的粘性土本构模型之一。
修正剑桥模型需要如下5个计算参数：（1）λ：ν-ln p’平面中正常固结曲线的斜率；（2）κ：ν-ln p’平面中回弹线的斜率；（3）m：面上临界状态线的斜率；（4）：临界状态比容；（5）μ：泊松比。
各层土体的具体计算参数见表1所示。
表1土体的物理力学参数
3.2 结构计算参数
分析中采用线弹性的板单元模拟厂房的条形基础（条形基础按刚度等价的原则转换为板单元），楼板，柱子（柱子按刚度等价的原则转换为板单元）以及隧道衬砌。
其中楼板和隧道衬砌的厚度按实际取值。
建筑物荷载采用等效荷载施加于建筑物基础上。
4 有限元模拟分析
4.1有限元网格的划分
根据隧道与上部建筑位置以及土层分布情况，建立三维有限元计算模型，划分单元个数总共为73640，整体模型网格如图2所示。
4.2有限元模拟步序
首先对模型施加重力荷载和建筑荷载，让模型在自重应力和建筑荷载作用下稳定，随后清除历史上自重作用
图2 整体三维模型网格
和建筑荷载造成的土体位移，应力场保留。
然后模拟左线隧道开挖，设置盾构管片，得出左线开挖对建筑物的影响；最后模拟右线
隧道开挖，分析左线和右线隧道全部贯通后建筑物的沉降变形情况。
4.3有限元结果分析
从图3（a）中可以看到，盾构掘进结束时，隧道纵向地表和建筑物沉降的范围集中在隧道顶部，地表最大沉降值为2.2mm。
另外可以看到，双线盾构隧道的开挖引起建筑-1的左侧部分和建筑-2局部4层部分产生较为明显的沉降。
对于浅基础而言,基础底部的变形与地层的变形紧密相关,可以近似认为两者变形是一致的[3]。
盾构隧道开挖引起地面沉降,直接导致上部建筑物产生变形,包括竖向变形和水平变形。
均匀的竖向变形对建筑物的影响不大,但不均匀差异沉降会导致结构构件受剪扭曲破坏,特别是框架结构对于差异沉降更加敏感。
从图3（b）中可以看到，在盾构掘进结束时，建筑-1左侧中心位置发生了明显的沉降，最大沉降值为3.2mm；建筑-2靠近建筑-1的一侧也发生了较为明显的沉降，最大沉降值为2.0mm。
建筑-1相邻柱基的最大沉降差为0.88mm，建筑-2相邻柱基的最大沉降差为0.54mm，均小于规范允许值0.002l（l=8m），即16mm。
另外，建筑-1的整体倾斜最大值为0.00004，建筑-2的整体倾斜最大值为0.00006，均小于规范允许值0.004。
（a）地表沉降（b）上部建筑基础沉降
图3 双线盾构掘进结束时地表及建筑物沉降
5结论
从以上对盾构隧道穿越李家庄商业城的数值模拟可知，地铁隧道盾构施工对地面建筑物群(李七庄商业城) 的影响, 即基础的沉降差和建筑的整体倾斜值均在规范允许范围内, 因此可以不对该建筑物基础进行加固。
但在施工过程中需加强监测，如遇突发情况，需及时采取相关措施。
参考文献
1.《建筑地基基础设计规范》（gb5007-2012）[s].
2.刘元雪,施建勇,许江等.盾构法隧道施工数值模拟[j].岩土工程学报,2004
3.刘波,陶龙光,李希平等.地铁盾构隧道下穿建筑基础诱发地铁变形研究[j].地下空间与工程学报,2006.。