盾构隧道掘进数值模拟

专业知识分享版使命：加速中国职业化进程摘 要:针对某盾构隧道下穿既有地铁暗挖隧道的施工力学行为进行了三维有限元数值模拟分析。

研究结果表明: 在盾构推进至距既有隧道边缘3 m 前，隧道会发生隆起，且在此位置时隆起量最大，之后开始沉降，在盾构将要穿出既有隧道时，沉降增量最大; 隆起量随盾构推力和既有隧道刚度增大而增大，而沉降量与之相反; 盾构下穿时，既有隧道结构横截面上会产生扭转，扭转角的大小随盾构推力增大而增大，随既有隧道刚度增大而减小。

为确保下穿过程上方隧道的结构安全和列车的正常运行，在距既有隧道边缘 3 m 时采取措施控制盾构推力和提高既有隧道周围土体的强度非常有效。

关键词:隧道 盾构 下穿 数值模拟 竖向位移 横向扭转随着城市地下轨道交通的发展，下穿既有线路的情况时有发生。

由于新线穿越既有线不可避免地会引起既有隧道结构产生附加应力和沉降，而地铁运营又对既有线的轨道变形有非常严格的控制标准，依据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》，运营隧道结构水平和沉降最大位移应 ＜ 20 mm;根据《铁路线路维修规定》，轨道纵向每 10 m 的沉降差应 ＜ 4 mm 。

因此这类下穿工程对既有地铁的安全形成了严峻的考验。

分析盾构下穿既有隧道的力学行为是非常必要的。

姜忻良、赵志明等［1］用理论推导的方法，提出隧道开挖时，上覆土在不同深度处的沉降计算公式; 汪洋、何川等［2］利用模型试验和数值分析的方法，并考虑了隧道纵向和横向刚度的折减得到围岩、净距、推力对上覆隧道的位移和附加应力的分布规律; 文献［3-5］利用三维数值模拟的方法提出下穿盾构的推进与上方近接隧道结构位移的关系; 陈越峰、张庆贺等［6］通过数值模拟及实测数据的反馈，找出了上覆隧道的沉降规律; 张海波、殷宗泽等［7］运用三维数值模拟的方法得出上、下隧道间的距离和相对位置对彼此的影响。

本文以某盾构隧道下穿既有暗挖隧道工程为背景，采用有限元软件建立三维数值分析模型对盾构下穿既有隧道全过程进行动态模拟。

盾构隧道急曲线段施工数值模拟分析发表时间：2019-06-20T09:39:48.747Z 来源：《防护工程》2019年第6期作者：杜亭萱[导读] 本文利用有限元软件对隧道后靠土体的稳定性进行了估算，并且对周边建筑物的沉降进行了分析，为其他类似项目提供参考。

上海市地下空间设计研究总院有限公司 200020摘要：本文采用数值模拟的方法，对大直径急曲线隧道施工过程进行了数值模拟分析。

本工程的最大难点是大直径盾构隧道在S曲线小半径急转弯处运行，平面曲线最小半径仅为500m。

在掘进曲线段过程中，内、外千斤顶的受力有一定的差别，盾构推力通过管片传递到盾构后靠土体，可能引起后靠土层的失稳。

本文利用有限元软件对隧道后靠土体的稳定性进行了估算，并且对周边建筑物的沉降进行了分析，为其他类似项目提供参考。

关键词：大直径盾构隧道；后靠土体稳定性；周边建筑沉降1工程概况1.1项目总体情况该工程I标段隧道长约8km，其中盾构段约6km，主线设工作井3座，在这三个工作井之间的隧道直线段占本区间隧道长度仅为20%。

东西盾构隧道采用单管圆形隧道，管片外径为15m，管片厚度为650mm。

盾构隧道最小曲线半径为500m。

1.2工程地质与水文条件根据岩土勘察报告，场地90m以内分布的土层自上而下的土层分别为①层为填土，②1层~⑤3层为全新世Q4沉积层，⑥层~⑨层为上更新世Q3沉积层。

地下水主要有赋存浅层中的潜水，⑤1、⑤2层中的微承压水和⑦层、⑨层中的承压水。

盾构主要穿越地层为：⑤1粉质黏土、⑤3-1粉质黏土夹粉砂、⑥粉质黏土、⑦1粉砂、⑦2粉细砂、⑧1-1黏土等。

1.3周边环境情况在分析区段内，区间隧道的转弯半径只有500m。

且周边环境较为敏感，沿线建筑众多，下穿别墅区、公寓及政府管理中心。

这些建筑均采用浅基础形式。

2盾构隧道施工有限元模拟2.1土体本构模型为了更加精确的模拟施工过程，土体采用修正摩尔库伦模型（Modified Mohr-Coulomb）。

迎坡条件下地铁盾构隧道施工数值模拟分析摘要：主要采用数值分析方法，以广州地铁为工程背景，计算采用有限差分程序FLAC3D进行施工模拟，对地层位移、隧道洞周位移、开挖面应力、开挖面附近塑性区的计算结果进行了分析。

关键词：盾构；数值分析；数值模拟随着数值计算被普遍应用于工程设计中解决各种岩石力学问题，各种数值模拟技术在岩土力学中有了很大的发展和广泛的应用。

然而，这些数值分析方法其理论本身以及采用的算法都有着各自的局限性。

快速拉格朗日分析(Fast Lagrangian Analysis of continua，简称FLAC)，则是在较好地吸取上述方法的优点和克服其缺点的基础上形成的一种数值分析方法。

1盾构隧道施工过程的数值模拟方法1.1掘进过程的模拟(1)开挖的实现FLAC3D中有内置一种“零模型”，通常用来模拟岩土体被开挖或移除。

零区域的应力被设置为零，在这些区域中没有体力作用。

可以通过单元性质的改变来实现后期的回填或支护。

(2)管片安装采用零模型来模拟开挖时，结合盾构机的施工推进速度，按每环1.5米进行开挖。

管片采用弹性圆环体模型来模拟，杨氏模量按《混凝土结构设计规范》选取为35.SGPa，考虑节头效应弹性模量乘以折减系数0.65，取为18GPa，钢筋混凝土的泊松比为0.17。

土体采用D-P模型来模拟。

盾构隧道开挖过程见图1所示，管片的拼装落后于开挖面4-6m。

在FLAC3D中，岩土体的力学参数采用的是体积模量K和剪切模量G，因此，须在参数输入前进行转换。

图1盾构隧道开挖示意图(3)工作面支护力的施加盾构施工工作面支护力应在极限主动土压力和极限被动土压力之间，在数值计算中，参照现场工作面支护压力的统计结果，确定工作面支护力的具体取值(不同坡度条件下其取值不同)。

1.2注浆层的简化(1)盾尾空隙计算盾构推过过程产生的土体沉降主要是由地层损失引起的，即隧道施工中实际开挖的土体体积与竣工体积之差，横断面的地层损失可以通过空隙厚度G来表示，Loet(1984)作过相关论述：（1）其中，（2）上式中△为盾尾壳体的厚度，为安装衬砌所需的空隙厚度，为开挖面应力释放导致开挖面及其前方土体的三维运动，使得土体塌落到开挖面造成的超挖土量，为施工因素(包括盾构的纠编、叩头、后退)及操作技术的影响产生的土体损失，为考虑土体后期固结产生的土体位移。

Indust rial Const ruct ion Vol.40,Supplement,2010工业建筑 2010年第40卷增刊盾构法施工过程的三维有限元仿真研究赵凤山(中铁十一局集团第一工程有限公司,湖北襄樊 441104)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THREE 2DIMENSIONAL FINITE ELEMENT ANALYSIS OF PROCESSOF SHIELD 2DRIVEN TUNNELZhao F engshan(China Railway Bureau 11Gr oup the F irst P roject Co 1Ltd,of No 111bureau Group,China Railwa y,Xiangfan 441104,China)Abstract:A shield const ruct ion in tunnel can cause ground subsidence and impact on the buildings ar ound,whose ana lysis is very impor tant 1Based on the three dimensional nonlinear finite element model,taking a Ji 2Shao freeway shield tunneling for example ,using ANSYS ,a la rge nonlinear FEM software to do a 3D FEM model simulation in the process of the shield constr uction ,then t he curve of subsidence by shield met hod construction had been calculated 1T he ground subsidence distr ibut ing char acteristics had been revealed 1T he curve of subsidence by the disturbance of soil was basically in accordance with nor mal distribution curve by Peck 1T he r ules of soil movement ,gr ound settlement and hor izontal displacement as well as change in str ess of t he adjoining tunnel during the shield 2dr iven constr uct ion wer e revealed.Keywor ds:shield method;highway tunnel;3D finite element method;ground subsidence作 者:赵凤山,男,1972年6月出生,工程师。

第30卷,第6期 中国铁道科学Vol 130No 16　2009年11月 C HINA RA IL WA Y SCIENCENovember ,2009　文章编号:100124632(2009)0620054207盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析杨广武1,关　龙2,刘　军2,郑知斌3(1.北京交通大学,北京　100044; 2.北京市政集团,北京　100045; 3.北京市市政工程研究院,北京　100037) 摘　要:以北京地铁10号线9标段盾构法开挖隧道穿越城铁13号线芍药居车站工程为依托,采用三维有限差分软件FL AC 3D 对盾构施工过程进行数值模拟,分析盾构穿越既有结构时对其沉降的影响规律。

研究结果表明:既有线车站结构的沉降随地基变形模量的提高而减少,且沉降趋势逐渐变缓;既有结构最大沉降增大的速率比围岩荷载释放率增大的速度快;增大开挖面的控制压力,可有效减小既有结构的沉降,但过大的控制压力会使前方土体隆起,产生负地层损失,并且随着开挖面控制压力的提高,差异沉降明显增大。

通过施工参数的优化可以减小既有结构的沉降,达到保护既有结构的目的。

关键词:隧道;盾构法;既有结构;变形;数值模拟 中图分类号:U455143 文献标识码:A　收稿日期:2009205212;修订日期:2009209211　基金项目:北京市政总公司(集团)基金资助项目(科2J 206116)　作者简介:杨广武(1956年—),男,北京人,教授级高工,博士研究生。

随着城市轨道交通的不断发展,换乘节点不断增加,必然出现新建地铁隧道近距离穿越既有地铁隧道或车站的现象,即所谓的近接施工。

控制新建隧道穿越既有地铁隧道或车站所引起的变形,确保既有地铁隧道或车站的结构安全和新建隧道的顺利掘进,是地铁施工面临的重要课题。

土压平衡盾构施工较为突出的问题是盾构挤压推进对周围土体的扰动较大,合理设置和控制土压对于控制地表沉降至关重要[123]。