某地铁盾构隧道的数值模拟计算
盾构隧道近距侧穿施工对建筑物桩基的影响研究
值的位置表明桩基越靠近隧道ꎬ开挖扰动对桩基变
形影响越大ꎮ
因桩基数量过多ꎬ为节省篇幅ꎬ研究隧道开挖过
程中对桩基位移的影响ꎬ选取 １ ＃ ~ ５ ＃ 号桩基进行重
点研究分析ꎮ 所选桩基如图 ４ 所示ꎮ
２ 计算模型概况
隧洞一次盾构开挖ꎬ每步开挖 ２ｍꎬ盾构设置和开挖
根据岩土勘察报告提供的地层参数ꎬ采用岩土
有限元软件 Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ ＮＸꎬ对某盾构区间侧穿宁波
某金属制品有限公司桩基工程施工进行仿真模拟ꎮ
根据隧道与桩基、承台的相对位置关系ꎬ建立
同步进行ꎬ用改变单元属性的方法反映盾构的依次
推进并同时安装衬砌管片ꎮ
பைடு நூலகம்８. ５２
⑥粉质黏土
７. ８
１１. ４４
⑧黏土
１２. ０
８. ７３
⑦淤泥质黏土
５. ８
８. ２２
０. ３１
０. ３１
０. ３５
０. ３２
０. ３５
０. ３３
５
２５
１９. １
２８. １
１３. ２
１８. ２
１４. ５
９. ６
１７. ８
１８. ６
１７. ２
１７. ５
１２. ７
１３. ９
８. ９
９. ４
１４. ３
为 ０. ４２６ｍꎬ长 ３１. ２ｍꎮ 隧道与桩基位移关系及研究
桩基编号见图 ４ꎮ 为了简化模型ꎬ将上部厂房转换
成 均 布 荷 载 施 加 在 承 台 上ꎬ 为２３. ４７ｋＮ / ｍ２ ꎮ 同 时ꎬ
图 ５ 桩基位移云图
根据模拟设计方案ꎬ对盾构近距侧穿宁波某金
属制品有限公司桩基工程施工力学行为进行了模拟
基于MIDAS_的叠落盾构隧道施工相互叠加影响的数值模拟分析
数值模拟分析
斌
（安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽
摘
作者简介：
朱斌（1982-），男，安徽芜湖人，毕业于合肥工
业大学土木工程专业，本科，学士，高级工程
师。专业方向：结构设计。
合肥
230001）
要：文章基于合肥市轨道交通8号线一期长距离叠落隧道区间工程，利用有限元分
程、深圳地铁 3 号线、深圳地铁 9 号线、北
引言
随着合肥轨道交通的建设及线路规
划，在区间隧道施工过程中穿越高危险
的高架桥桩、建筑物等现象较为常见。
因此设计中会采用上下叠落的方式避免
对建筑物产生不利影响，同时也可以有
效解决线路敷设难题，避免大规模的建
筑拆迁。
刘清文、赵磊[1]对北京地铁 6 号线某
叠落区间进行研究，先对地下隧道的受
程学报,2015,48(S1):279-282.
[6]
在上方隧道施工时的掌子面的前 15m
道上方土体 Y=75m 断面的地表沉降变
化曲线表现为先减小后增大的抛物线趋
区间隧道施工会对土层产生扰动效应、
右线隧道拱顶覆土 10.5~38.0m。先施
对 地 表 沉 降 产 生 叠 加 。 宋 浩 然 、张 顶
工右线隧道（叠落段下方隧道）后施工左
9.8m，斜向距离 8m；完全叠落段 2：竖向
立 ，朱剑、张金柱 ，都是结合北京地铁
线隧道（叠落段上方隧道）。区间总平面
距 离 4.75m；完 全 叠 落 段 3：竖 向 距 离
进行对比分析。不同叠落段施工完成时
表1
土层名称
图5
不同叠落段的地表沉降云图
地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析
挖步包含两个计算步 ： 第一计算步模拟开挖 、 施加盾尾注浆压 力 ； 第二计算 步模拟上管片衬 砌和注浆层硬化。为避免建模时的重复 操作 ， 本计算 以命 令流的方式 进行 ， 型材料选取 与实 际较相近 模 的 Ｓ ＬＤ ５和用于划分平 面网格 的辅助单元 ＭＥ Ｈ ０ 。以下是 Ｏ Ｉ４ Ｓ ２０ 土体分层后 的模型及 网格划分 图。
道 上 ， 围高楼林立 以及城市管道的复杂分布情 况 ， 周 稍有不慎 ， 均 （ 此处将土层加以简化 ，将土层各参数较为接近 的合并 为一个整 会 引起 巨大的损 失。因此 ， 有效 的对地下工 程施 工进行预测成为 体 ）各层的材料参数 和层厚为 ： ， 迫切的需要 。现利用大型仿真数值模拟计算软件 Ａ Ｓ Ｓ 通过对 ＮＹ ， 表 １各 土层参数 盾构隧道在 掘进过程 中 ， 这一动 态变化进行数 值模拟分 析 ， 详细 Ｔ ｂ ｅ Ｓ ｉ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ａ ｌｌ ｏｌ ａ ａ ｔ ｒ
了解开挖 、 盾尾注 浆 、 上管片衬砌 以及 注浆层硬 化等每一 步地表 沉降及周 围土体扰动变形 ， 为设 计 、 可 监控量测 及预测提 供相关 依据。
１ 隧 道及 地 下 工 程 施 工 力 学数 值 模 拟
随着现代轨 道交 通的兴起 ， 城市地 铁以及深山隧道 因为其经 济适用愈发成为 国家发展的首选之一 。伴 随而来的是相关各学科 的兴起 与发展 ， 最近十多年 ， 隧道 结构的动静力 学计算成 为 当今 依据相应 的工程 经验得知 ：施工 中的顶进压力 为 ０３ ａ盾 ．ＭＰ ， 世界一项比较复杂及亟待解决的课题 。地层岩土介质和隧道结构 尾 注浆 压 力 为 ０１Ｍ ａ ． Ｐ。 ５ 相互作用过程相 当复杂ｌ 引 。只有那些均质 、 同性 的线弹性体 系 ， 才 ３ 模 型 的建 立 能得到 比较精确 的计算结果。但对非线性 岩土和几何外形较 为复 本 文以某城市拟建盾构 区间 为例 ，利 用 Ａ Ｓ Ｓ计算软件对 ＮＹ 杂的隧道结构 ， 其力学计算必须借助数值分析方法才能进行 。 盾 构掘进过程进行有限元分析 。选 取施工过程 中的几个 节段作为 现在 一般用 于隧道 开挖 、 护过程 的数 值分析 方法 ： 支 有 有限元 基本模 型进行模拟计算 ， 在本计算 实例 中， 每步２年第３期
盾构地铁隧道施工对近接桩基的影响
盾构地铁隧道施工对近接桩基的影响摘要:本文针对某市地铁6号线P站-X站区间双线盾构隧道下穿既有博物馆建筑的情况，基于合理假定条件，采用数值分析方法模拟计算了新建隧道施工过程中盾构掘进对邻近建筑物桩基的影响。
关键词:盾构隧道;下穿;桩基础;数值计算;邻近施工近年来，我国城市地下轨道交通得到了快速发展，城市地铁隧道经常需要从既有建筑物附近穿过，其施工过程不可避免地会对邻近建筑物桩基产生影响，导致建筑物产生沉降或倾斜，影响使用安全。
隧道施工对邻近建筑物的影响分析是城市隧道工程领域中的一个重要课题。
Loganathan等通过离心试验得到了不同隧道埋深情况下隧道开挖对邻近桩基础的影响；任锐等研究了地铁盾构对高层建筑的影响，提出桩柱的连接处是高层建筑在盾构过程中的一个易损点；杨晓杰等、贺美德等、马少坤等分别使用有限差分法、有限元法和模型试验法对建筑物桩基受邻近隧道开挖的影响进行了研究。
1工程概况某市地铁6号线P站-X站区间双线隧道采用盾构法施工，盾构管片外径为6.00m，管片厚度为0.3m，单环管片宽度为1.50m，隧道顶最小埋深约18.8m，最大埋深约31.2m，左右线隧道轴线间距约14.6m。
隧道在某博物馆桩基础下方穿过，博物馆基础为预应力管桩基础，桩长15～20m，承台高1m。
博物馆下方隧道的中心埋深约27.5m，桩基与隧道管片最小净距约为2.37m。
2工程地质条件根据地铁区间下穿博物馆处最不利位置的钻孔柱状图，该处地质从地面往下依次为2.8m的素填土＜1－2＞，7.2m的淤泥质粉细砂＜2－2＞，1.0m的淤泥质土＜2－1B＞，1.9m的淤泥质粉细砂＜2－2＞，5.6m的强风化泥质粉砂岩＜7－3＞，8.5m的中风化泥质粉砂岩＜8－3＞，再往下为微风化泥质粉砂岩＜9－3＞。
盾构隧道洞身全部处于中风化及微风化泥质粉砂岩中，且洞身上方有8.5m的中风化泥质粉砂岩。
3三维数值分析模型的建立根据该博物馆管桩布置，盾构隧道施工参数和材料参数以及博物馆与盾构隧道的空间立体关系，运用有限元分析软件midas GTS建立三维有限元计算模型。
地铁盾构隧道穿越既有铁路隧道的数值模拟
（１ ｘ Ｒ ｉＴａ ｓ ｅｅ ｐ ｎ Ｃ ．Ｌｄ Ｗｕｉ １０ ３ Ｃ ｉａ ． ｉ ａ ｒｎｉＤ ｖｌ ｍｅｔ ｏ，ｔ， ｘ ２４ ４ ，ｈｎ ； Ｗｕ ｌ ｔ ｏ
２ ｎｔｕｅｏ ｅｔｅｎｃｌ ｎｉｅｒ ｇＳ ｕ ｅｓ Ｕ ｉ ｒｉ ， ａｊ ｇ２ ０ ９ ， ｈｎ ） ． ｓｔｔ ｆ ｏ ｈ ｉａ Ｅ ｇ ｅ ｎ ，ｏ ｔ ａｔ ｎ ｅｓｙ Ｎ ｎｉ １ ０６ Ｃ ｉａ Ｉ ｉ Ｇｉｌ ｕ ｎ ｌ ｅ ｉ ｉ ｇ ｔｎ ｅ ； ｕ ｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ；ｔｕ ｔ ｒ ｅ ｏｍａｉ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ｓ ｂ ｙ；ｈ ｅ ｄ ｔ ｎ ｅ ； ｘｓ ｎ ｎ ｌ ｎ ｍｅｉ ｌ ｍｕａ ｉ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｄ ｆ ｒ ｔ ｔ ｕ ｃ ｓ ｏ ｏ
Ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｏ ｕ ｗａ ｈ ｅｄ Ｔｕ ｎ ｌ ｏ ｓｎ ｎ ｍ ｒｃ ｌ ｍ ｌ ｔ ｆＳ ｂ ｙ Ｓ ｉｌ ｎ ｅ Ｓ ｏ Ｃｒ ｓｉ ｇ ａ
Ｅｘ ｓ ｉ ｉｗａ ｉｔｎｇ Ｒａ ｌ ｙ Ｔｕｎｎ ｌ ｅ
Ｗ ａ ｇＪ ｎ ， ａ ｉｃ ａ ｇ ｎ ｕ ＭｉｏＬｎ ｈ ｎ
ａ ｄ ｏ ｃ ｃ ｕ ｅ ｙ ｓ ｉ ｌ ｔｎ ｅ ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｔｄ ｕ ｒ ａｌ ｒ ｍ ａ ｐ ｃｓ ｏ ｈ ｅｄ ｕ ｈ， ｒｓ ｕ ｅ ｎ ｆｒ ｅ ａ ｓ ｄ ｂ ｈ ｅｄ ｕ ｎ ｌ ｏ ｓｒ ｃ ｉ ａ ｅ ｉ ａｅ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｆ ｏ ｍｕ ｉ ｙ ｏ ｓ ｅ ｔ ｆ ｓ ｉｌ ｐ ｓ ｐ ｅ ｓ ｒ ｇ ｏ ｔ ｇ， ｏ ｓｒ ｃ ｉｎ ｃ ｎ ｉ ｏ ｎ ｈ ｅｇ ｂ ｒｎ ｕ ｎ ｌｓ ａ ｉ ｇ ｉ ｏ ｓｒ ｃ ｉｎ， ｅ ｄ ｓｏ ｉｎ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ａ ｄ ｔｅ ｒ ｕ ｉ ｃ ｎ ｔ ｔ ｏ ｄ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｉｈ ｏ ｇ ｔ ｎ ｅ ｐ ｃｎ ｎ ｃ ｎ ｔ ｔ ｎ ｕ ｏ ｉ ｉ ｕ ｏ ｔ ｉ ｒｏ ｃ ａ ｉ ｈ ｔｔ ｍ ｎ ｈ ｉ ｆ ｅ ｃ ａ ｔｒｏ ｅ ｅ ｉｔ ｇ ｒ ｉ ｙ ｔ ｎ ｅ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｎ ｕ ｎ ｅ ｆ ｃｏ ｆ ｈ ｘｓｉ ａｌ ｎ ｌａ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ． ｌ ｔ ｎ ｗａ ｕ
地铁盾构施工引起邻近建筑物变形实测与数值模拟分析
地铁盾构施工引起邻近建筑物变形实测与数值模拟分析摘要：城乡一体化进程的逐步加快导致各大城市人口激增，城市交通面临严峻挑战。
为解决城市的交通压力，地铁建设势在必行。
盾构法以其施工安全、操作便捷等优势，得到全面的推广与应用。
但此法施工会引发地层损失，严重时，则会造成地表塌陷、管线破裂、墙体裂缝等不良现象，影响周围环境。
本文以某地铁A站到B站区间隧道盾构施工为背景，对盾构掘进引发的邻近建筑物沉降进行了分析。
关键词：盾构法；隧道；建筑沉降；控制措施；数值模拟1前言隧道地铁施工的主要方法中，盾构法凭借高水平的机械化施工技术崭露头角。
其原理是利用盾构刀盘正面切削土体，使渣土顺利进入土仓，并保持土仓内外压力平衡，以减少盾构推进对土层的扰动，从而控制地表的隆陷。
盾构施工技术具有速度快，安全性高，对围岩扰动小、地表沉降易控制，可长距离掘进，不必大面积降水等优点。
由于盾构工法自身的特点，在城市轨道交通施工中作用显著。
它可以克服常规暗挖法不易克服的困难，对一些特殊地段、地层进行施工，如上软下硬、地下水丰富等地层。
但其也具有施工工艺复杂、造价高、在饱和软质地层中推进，地表沉陷风险较大等缺点。
数值模拟法主要分为有限单元法、边界元法、有限差分法、随机介质理论等。
利用数值模拟法可以方便的模拟出盾构施工过程中引起的地表变形规律以及开挖面土体的应力变化规律。
2岩土工程条件本区间地层自上而下为杂填土、粉土、粉质黏土、黏质粉土、粉细砂、中砂、圆砾、粉质黏土、粉细砂、粉质黏土。
地面标高为38.60～39.82m。
地下水类型主要有上层滞水、潜水和承压水。
本区间地层第四纪沉积韵律较为明显，地层组成自上而下为杂填土、粉土、粉质黏土、黏质粉土、粉细砂、中砂、圆砾、粉质黏土、粉细砂、粉质黏土。
地面标高为38.60～39.82m。
地下水类型主要有上层滞水、潜水和承压水。
隧道顶板埋深16.0m，隧道直径6.0m，左右双线隧道，间距8.4m，靠近建筑物一侧的右线隧道距离建筑物基础边线6.5m。
地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算
第６期曾东洋等：地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算７４５片接头及抗弯刚度．｜｝进行了数值模拟计算，以期得到可供实际工程应用的研究成果．１工程概况南京地铁南北线一期工程盾构第３标段由玄武门—许府巷和许府巷一南京站２个区间组成．其中玄武门一许府巷区间隧道为Ｖ形坡，最大纵向坡度为３０‰，最小曲线半径尺＝６００ｍ，埋深在９．５一１５．５ｍ之间，主要通过淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土和粉土等．许府巷一南京站区间隧道为Ｖ形坡，最大纵向坡度为２０％。
，最小曲线半径Ｒ＝４００ｍ，埋深在９．Ｏ～１５．０ｍ之间（局部埋深达２５．Ｏｍ），主要通过粘性土层、砂性土层和砂粘性土层．地铁区间隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌，管片环内径为５．５０ｍ，幅宽１．２０ｍ，厚０．３５ｍ．衬砌分为６块，封顶块圆心角为２１．５。
，２个邻接块圆心角为６８．Ｏ。
，３个标准块圆心角为６７．５。
；错缝拼装，纵向接头１６处，按２２．５。
等角度布置．２计算模型２．１计算假定及单元划分计算采用ＡＮＳＹＳ５．６程序．在弹性范围内，采用以下假定：（１）小变形假定：与构件几何尺寸相比，管片接头端面在外荷载作用下产生的转角和变形非常微小，属小变形范畴．（２）平截面假定：除接触端面由于受螺栓拉力和混凝土挤压而形成曲面外，管片其余断面变形前后均为平截面．（３）材料均匀性假定：忽略材料几何制造等形成的差异，假定计算管片为均质的各向同性材料．（４）单弹簧假定：忽略弹簧剪切刚度变化对管片的影响，只研究转动刚度的变化，即在假设管片剪切刚度为无穷大的基础上研究旋转刚度的变化．基于上述假定，采用了以下单元：（１）为了防止接缝端面漏水及端头混凝土压碎，工程中一般在管片接头端面设置了橡胶止水带和软木衬垫，计算中接缝端面采用接触面单元、橡胶止水和软木衬垫采用单自由度零长度弹簧模拟．（２）工程中管片间通过螺栓连接紧固，螺栓中心距离管片内侧７０ｍｍ，计算中不考虑螺栓孔的影响，采用弹簧单元模拟螺栓．（３）钢筋混凝土中钢筋不模型化，计算管片用三维实体单元；计算参数为：Ｃ５０钢筋混凝土弹性模量为３５ＧＰａ，泊松比为０．２７．２．２网格划分与荷载工况计算采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头模型（管片尺寸：长×宽×高＝３４４６ｎｕｎ×ｌ２００ｍｍ×３５０ｍｍ）进行三维建模分析．单块管片建模共生成节点１１×ｌｌ×１１个，单元１０×１０×１０个．对管片内侧远离接触面底边施加竖向约束，而在水平面内允许其自由变形．网格划分及约束如图ｌ所示．在管片左右非接触面施加均布面荷载ｐ形成轴力ｊｖ，在管片中央施加均布线荷载Ｆ形成弯矩Ｍ（如图１和２所示）．由文献［６］中的试验结果，分别取Ⅳ＝Ｏ，２１０，４２０，６３０和８４０ｋＮ时（正负）弯矩为９．４８一ｌ９００ｋＮ·ｍ进行了计算．图１管片三维模型Ｆｉｇ．１３一ＤｍｏｄｅｌｏｆｓｅｇＩｎｅｎｔＦＦ１７２３一虽ｌｌ７２３一ｌ一●”’ｔ●一叫ｆ卜一ＩＩＩ■３４４６ｆ３“６一下图２加载示意Ｆｉｇ．２ＳｋｅｔｃｈｏｆａｐｐＨｅｄｌｏａ凼ｐ７４６西南交通大学学报第３９卷３计算结果与分析３．１结构变形在弯矩Ｍ和轴力Ⅳ共同作用下，混凝土管片产生类似于简支梁的变形和挠曲，接头端面产生分离：上部形成受压区，下部形成脱离区．受螺栓拉力作用，接触端面螺栓附近局部突起，位移减小，位移图中显示为局部凹下，如图３所示．取螺栓处断面代表接头端面管片变形，将变形曲线简化为２段直线，如图４所示，其中受压区高度菇根据计算结果确定．管片接头在外荷载作用下产生变形后，主要由受压区混凝土和脱离区受拉螺栓抵抗外荷载及形成变形．图３接触面节点位移Ｆｉｇ．３Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｍ０ｆｎｏｄｅｓ∞ｃｏｎｔａｃｔｆ如ｅｐ图４管片接头变形Ｆｉｇ．４Ｄ幽咖ａｔｉｏｎｏｆｓｅｇＩｎｅｎｔｊｏｉｎｔ３．２力学行为分析由图４可建立如图５所示的小变形情况下管片接头端面力学模型．管片在轴力Ⅳ和弯矩Ｍ共同作用下，中性轴以下端面受拉张开，螺栓承受拉力ｒ；中性轴以上端面承受三角形分布的压应力，合力Ｆ距上边缘石／３．图中ｄ为管片厚度，‘为螺栓中心距管片外侧距离，菇为受压区高度，ｐ为接头端面转角，６为单侧螺栓受拉图５管片接头端面力学模型伸长量．Ｆｉｇ·５Ｍ８。
盾构隧道近距斜交下穿既有地铁车站变形沉降数值模拟分析
交通与土木工程河南科技Henan Science and Technology总第809期第15期2023年8月收稿日期：2023-02-13作者简介：董辰浩（1992—），男，本科，工程师，研究方向：城市轨道交通工程管理。
盾构隧道近距斜交下穿既有地铁车站变形沉降数值模拟分析董辰浩（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南洛阳471000）摘要：【目的】盾构隧道下穿既有地铁车站施工过程对地层的扰动会对既有车站产生影响，为最大限度地降低施工风险，保证既有站的安全及正常运营，需要开展相关研究。
【方法】利用MIDAS-GTS-NX 有限元数值模拟软件，以郑州市某盾构隧道下穿既有地铁车站为背景，按照接收端地层加固、左线盾构施工、右线盾构施工的顺序，建立三维有限元模型。
【结果】预测施工过程既有站主体结构的变形规律和内力变化，分析计算盾构隧道近距离斜交下穿施工过程对既有地铁车站的影响，将预测结果与实际施工监测数据进行对比，验证了该模型计算结果的准确性及可行性。
【结论】研究成果为隧道近距离斜交下穿既有站施工引起的沉降变形提供理论依据，对于指导施工、保证施工安全具有借鉴意义。
关键词：盾构隧道；数值模拟；变形预测；既有车站中图分类号：U 231文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）15-0078-05DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.15.015Numerical Simulation Analysis of Deformation and Settlement of MetroTunnel Passing Through Existing Station with Close DistanceOblique CrossingDONG Chenhao(China Railway 15th Bureau Group Urban Rail Transit Engineering Co.,Ltd.,Luoyang 471000,China)Abstract:[Purposes ]The disturbance of the stratum during the construction of shield tunnel undercross⁃ing the existing subway station will have an impact on the existing station,in order to minimize the con⁃struction risk and ensure the safety and normal operation of the existing station ，relerant research is needed.[Methods ]Using the MIDAS-GTS-NX finite element numerical simulation software,a three-dimensional finite element model is established in accordance with the sequence of ground reinforcement at the receiving end,shield construction on the left line,and shield construction on the right line,with the background of a shield tunnel penetrating the existing subway station in Zhengzhou.[Findings ]The deformation law and internal force change of the main structure of the existing station during the con⁃struction process are predicted,and the influence of the construction process of the shield tunnel′s short-distance oblique underpass on the existing station is analyzed and calculated.The prediction results are compared with the actual construction monitoring data,which verifies the accuracy and feasibility of the calculation results of the model.[Conclusions ]The research results provide a theoretical basis for the settlement deformation caused by the construction of the tunnel under the existing station at a short dis⁃tance,and have reference significance for guiding the construction and ensuring the construction safety.Keywords:shield tunnel;numerical simulation;deformation prediction;existing station0引言随着城市轨道交通建设的快速发展，由于地下空间的局限性，新建地铁隧道修建过程中不可避免地要下穿既有地铁车站。
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某地铁盾构隧道数值模拟计算
摘要: 针对具体的工程和现场监测以及实测资料,用FLAC 对某一地铁盾构隧道施工过程进行数值模拟，对模拟数据进行了分析,得出了隧道位移变形、各种应力云图等重要工程信息, 得出盾构隧道和周边围岩的变化规律, 对改善盾构隧道的施工方法, 提高工程质量, 确保工程安全, 具有重要的理论意义和工程实用价值。
关键词: 地铁隧道；盾构隧道；数值模拟
一、引言
随着科学技术和城市化的发展以及城市人口的过快增长，传统的公共汽车和无轨电车已经越来越不能满足城市居民高频率出行的需要。
建设以地下铁道为代表的城市快速轨道交通系统，是解决我国中心城市公共交通运输矛盾的重要途径。
随着盾构法在我国地铁隧道开挖中的应用越来越广，隧道数值模拟和施工监测在隧道开挖过程中扮演了越来越重要的角色。
数值模拟由于能全面预测隧道开挖的全过程，已被广泛使用；施工监测则主要是利用围岩变形和拱顶沉降的监测数据掌握围岩动态和隧道支护结构的工作原理，通过施工过程对围岩实时监控，对监控数据进行分析和综合判断, 对可预见的事故和险情及时采取措施，把风险控制到最小，所以数值模拟和施工监测数据以及对数据的分析就成为衡量设计和施工是否合理的一个重要指标。
为确保工程质量, 隧道在开挖过程中必须进行必要的变形监测。
施工监测应包括两端洞口浅埋段地表沉降量测、洞内拱顶下沉、水平收敛、锚杆拉拔等量测内容，其中以拱顶沉降观测和隧道水平收敛监测为主，工作原理就是通过测量手段, 来了解拱顶的平面位移和拱顶下沉情况。
施工监测不仅为隧道开挖提供重要的手段，而且为调整设计参数、选择合理的支护方式和综合评价围岩稳定性提供科学依据，从而便于日常施工组织管理，以达到安全施工的目的。
本文以某一地铁盾构隧道为例。
该隧道外径为6.0m，衬砌厚度为0.3m，内径为5.4m,埋深为10m。
地铁隧道断面如下图1。
图1 地铁隧道断面示意图
二、地质概况
本文中地铁盾构隧道所处的地层为Ⅴ级围岩，围岩密度为1800kg/m3 ，体积弹模为1.47e8Pa，剪切弹模为5.6e7Pa，摩擦角为20度，粘聚力为5.0e4Pa，抗拉强度为1.04e4Pa。
隧道衬砌结构采用C30混凝土，其密度为2500 kg/m3 ，体积弹模为16666.6e6Pa，剪切弹模为12500e6Pa。
三、软件介绍
3.1软件简介
FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是Itasca 公司研发推出的连续介质力学分析软件，是该公司旗下最知名的软件系统之一。
目前已在全球70 多个国家得到广泛应用，在国际土木工程学术界和工业界享有盛誉。
FLAC 主要为地质和岩土工程应用而开发，程序中包括了反映岩土材料力学效应的特殊计算功能，可解算岩土类材料的高度非线性、不可逆剪切破坏和压密、粘弹(蠕变) 、孔隙介质的固--流耦合、热--力耦合以及动力学行为等。
FLAC 中有六种蠕变模型，分别为:经典粘弹性模型(Viscous)，二分量幂定义
( Power)，用于核废料隔离研究的WIPP 参考蠕变模型(Wipp)，Buger 蠕变模型和
Mohr2Columb 模型合成的Buger 蠕变粘塑性模型(CVisc)，WIPP 模型和Drucker2Prager 模型合成的WIPP 蠕变粘塑性模型(PWipp)，岩盐的本构模型(CWipp)。
FLAC 具有内嵌FISH 语言，用户可据此编制计算程序，以适应复杂计算、创建新的本构模型和实现各种特殊功能等。
FLAC 是二维有限差分程序,可以进行平面应变、平面应力及轴对称问题的分析。
FLAC 主程序包含前、后处理的所有功能，用户从建立计算模型到分析，以及查看计算结果，均在FLAC 主程序中进行。
其中，前处理功能用于根据用户输入的数据建立有限元分析模型；计算程序用于对模型数据进行分析，并输出相应的计算结果；后处理功能则用于将计算结果以直观的方式显示出来。
通过使用FLAC，用户只须将设计图、材料信息、载荷、边界条件等参数以及填土、挖掘、支护等施工相关数据直接输入，就可获得变形图、等值线、应力分布曲线及内力图等易于理解的直观结果。
本文所用的是FLAC 3.00版本。
3.2 分析计算步骤
与大多数程序采用数据输入方式不同，FLAC采用的是命令驱动方式。
命令字控制着程序的运行。
在必要时，尤其是绘图，还可以启动FLAC用户交互式图形界面。
为了建立FLAC计算模型，必须进行一下三个方面的工作：（1）有限差分网格生成；（2）本构特性与材料参数设置；（3）边界条件与初始条件设置。
完成上述工作后，可以获得模型的初始平衡状态，也就是模拟开挖前的原岩应力状
态。
然后，进行开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析，进行一系列计算步后达到问题的解。
最后，进行结果的分析与总结。
四、数值模型建立
地铁工程(属于隧道工程) 施工中遇到的技术问题是典型的平面应变问题,解决这类问题所需的理论基础是弹塑性理论。
地铁开挖仅对距中心点3～5 倍R ( R 为隧道最大断面半径) 范围内围岩有影响。
据此并参考既有计算经验，取左右边界为隧道为外径的4倍，即24m；隧道底部取隧道外径的3倍，即20m。
最后整个计算模型选用72×36×36m，共21376个单元，隧道左右中心线相距18m，见图2。
其中，岩体采用各向同性弹塑性平面材料,四边形单元；锚杆和喷混凝土采用杆件材料,二结点线形单元；衬砌采用壳体材料,二结点线形单元；喷层与衬砌接触面采用beam 单元。
该工程位于黄土地区，盾构隧道主要穿越粘性土层，故采用莫尔--库伦本构模型进行计算。
且由于左右线隧道相距较近，盾构施工时按照先开挖左隧道后开挖有隧道的顺序进行施工，因此，模拟盾构施工过程时，同样先挖最隧道后开挖右隧道。
为了便于施工模拟计算，则每次纵向开挖模拟计算以5环管片为一组，即每次在隧道的纵向施工长度为6m，这样可以简化计算。
图2 数值计算模型
五、FLAC数值模拟
5.1位移模拟及分析
首先计算土层在自重应力场下的竖向位移，从图3可以看出，在自重应力作用下隧道上方的土层沉降较大，达到了-6.75e-2m,虽然沉降值较大，不过已经固结完成，对盾构施工所引起的地表沉降没有多大影响。
图3 自重应力作用下的竖向位移云图
左隧道开挖结束后，由于衬砌能够及时施做，从图4可以看出左隧道附近及上层土的沉降值较小，最大值为-9.66e-3m,发生在右隧道上方土层，可见开挖左隧道对外开挖的右隧道附近土层有一定的扰动，主要原因在于两隧道距离较近。
图4 左隧道开挖完后的竖向位移云图
右隧道也开挖完成后，土层竖向位移有了一定的变化，沉降值增大。
从图5可以看出，在左右隧道开挖完成后，右隧道的开挖对左隧道土层沉降影响较大，最大沉降值发生在左线隧道拱顶，达到了-1.947e-1m,右线隧道附近土层沉降为-1.6 e-1m。
图5 右隧道开挖完后的竖向位移云图
5.2应力分析
从图6左隧道开挖完后的应力云图可以看出，左线开挖后，隧道上方土层应力较小，而隧道下侧土层应力较大，部分地区出现集中应力，总的来说符合海姆公式。
图6 左隧道开挖完后的应力云图
从图7可以看出，做右线隧道开挖完成过后，土层应力整体有所增大，主要原因在于，右线隧道开挖对已开挖的左线隧道产生一定的扰动，导致土层应力重分步，再加上衬砌施做时对附近土体有一定的预应力作用，故土层应力有所增加。
图7 右隧道开挖完后的应力云图
六、结论
（1）为指导地铁、隧道等大型地下工程的设计与施工，对其进行数值模拟是十分必要的，也是经济的。
本文以现场测量和实验数据为依据，采用弹塑性理论，并应用FLAC 软件对地铁开挖进行有限元模拟和分析，直观而真实地表现了地铁盾构开挖时所产生的围岩位移和应力的分布情况，据此对地铁隧道开挖的力学特性及其相关问题进行了研究和探讨，可以为施工方案的设计提供参考依据。
（2）左右隧道相距较近时，隧道盾构施工会对另一隧道产生扰动，很大程度上影响土层沉降，施工设计时要尽量避免，避免不了之时必须采取防护措施。
西安科技大学研究生考试试卷
姓名昝彪
所在学院建筑与土木工程学院
学科、专业桥梁与隧道工程
考试科目岩土力学数值方法及其工程应用
考试日期2013年6月14日
课程学时 36
开（闭）卷开。