盾构隧道掘进数值模拟共67页

盾构通过矿山法隧道段数值模拟研究周禾;张庆贺;徐飞【摘要】以深圳地铁2号线东港路站-招商东路站区间盾构通过矿山法隧道段为背景,运用有限元ANSYS软件对盾构通过矿山法隧道段施工过程进行动态模拟,在模拟盾构管片周围设置应力及径向压力监测点、管片环缝间设置纵向应变监测点,计算得出盾构通过矿山法隧道段时管片的受力变化规律.研究结果表明:①空推阶段管片受力变化规律表现为两个阶段,先是随着脱离盾尾距离的增大而增大(或减小),然后达到稳定;②补压浆阶段补压浆施工会引起注浆环及邻近管片受力的显著变化.对称补压浆与单侧补压浆的影响范围分别为前后4环、前后6环;③对称补压浆较单侧补压浆效果理想.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】5页(P36-40)【关键词】盾构;矿山法隧道;空推;补压浆;数值模拟【作者】周禾;张庆贺;徐飞【作者单位】同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;同济大学地下建筑与工程系,上海200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;同济大学地下建筑与工程系,上海200092;上海第一市政工程有限公司,上海200092【正文语种】中文【中图分类】U455.41针对单一地层而言，都有比较合适的相应施工工法。

如坚硬岩体隧道，可以采用矿山法施工;均质较硬岩体的山岭隧道，可以采用TBM工法施工;软土地层的暗挖隧道，可以采用盾构法施工等。

然而，对于复杂地层、软弱不均的地层，实际施工中仍有不少难处。

如软硬互层段、有孤石地段和微风化高硬度岩石段或遇到建筑物桩基等障碍物，此时单纯依靠一种工法较难完成施工。

目前，国内在广州、深圳等地的地铁施工过程中碰到的复杂地层、软弱不均的地层时，一般都采用盾构通过矿山法隧道段的施工工法。

刘建美［1］以广州地铁四号线大学城专线小新区间隧道为例，详细介绍了盾构通过矿山法施工隧道段时的回填、盾尾注浆和分阶段压注浆等工艺;杨书江［2］从解决空推无法对已拼装管片隧道施加足够轴向压力角度出发，提出了在盾构通过矿山法施工隧道段拼装管片时，采用焊接连接钢筋、支挡牛腿和复紧螺栓三步走的措施，保证隧道的防水效果。

地铁盾构隧道穿越既有铁路隧道的数值模拟王军;缪林昌【摘要】Taking a shield tunnel section of Wuxi subway crossing an existing railway tunnel as an example,the three-dimensional mechanics model is established based on Ansys software,the law of railway tunnel structure distortion and force caused by shield tunnel construction are simulated numerically from aspects of shield push,pressuregrouting,construction condition and the neighboring tunnel spacing in construction,the distortion mechanism and the influence factor of the existing railway tunnel are analyzed.%以无锡地铁某盾构隧道区间穿越既有铁路隧道为工程实例,基于Ansys数值软件建立3维力学模型,从盾构隧道施工过程中的盾构推力、注浆压力、施工工况、相邻隧道间距4个方面对盾构隧道施工引起的既有铁路隧道的结构变形和受力规律进行了数值模拟,并分析了既有隧道变形的机理和影响因素。

【期刊名称】《现代交通技术》【年(卷),期】2011(008)005【总页数】4页(P66-69)【关键词】地铁;盾构隧道;既有隧道;数值模拟;结构变形【作者】王军;缪林昌【作者单位】无锡市轨道交通发展有限公司,江苏无锡214043;东南大学岩土工程研究所,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】U452.2近年来，隧道盾构施工技术在城市地铁隧道、市政隧道等工程实践中广泛应用，新线隧道施工引起的地层移动对近邻结构的功能损害和安全威胁引起了学术界和工程界的广泛关注和重视，如何在隧道施工过程中有效地预测和控制地层变位以保护既有结构的安全，已成为城市地铁工程建设中必须解决的一项重要课题[1-2]。

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。

盾构法地铁隧道施工数值模拟李曙光;冯小玲;方理刚【摘要】以南京地铁1号线许府巷站-南京站区间隧道为背景,采用有限差分程序FLAC3D,对盾构在富水饱和粉细砂、粉砂夹细砂地层中掘进施工进行数值模拟,考虑了隧道开挖、地下水位、土仓压力、同步注浆等因素影响,并将计算结果与实测地表沉降数据进行了对比分析.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2009(000)003【总页数】2页(P86-87)【关键词】地铁隧道;FLAC3D;盾构施工;数值模拟;地表沉降【作者】李曙光;冯小玲;方理刚【作者单位】中铁郑州勘察设计咨询院有限公司,郑州,450052;郑州大学管理工程系,郑州,450001;中南大学土木建筑学院,长沙,410075【正文语种】中文【中图分类】U231+.31 概述数值模拟因其解题范围广，适用于各种复杂几何形状、边界、载荷和材料特性，在土木工程领域得到了广泛的应用。

FLAC是显式有限差分程序，意为连续介质快速拉格朗日法。

该程序的基本原理与离散元相似，但它应用了节点位移的连续条件，可以对连续介质进行大变形分析，能模拟岩石、土体及其他材料的大变形、挠曲或塑性流动，适用于岩土力学中的非线性大变形或不稳定问题。

2 建模选取南京地铁1号线许府巷站—南京站区间K13+240～K13+300段盾构法隧道作为模拟对象：盾构刀盘外径6.4 m，隧道管片外径6.2 m，管片内径5.5 m，管片厚度35 cm；各土层厚度按实际情况选取，如表1所示。

模型中沿x、y、z轴的计算范围为77 m×60 m×34 m，y轴正向为盾构掘进方向；z轴正向向上；x轴正向向右。

隧道直径D为6.2 m，左右线隧道间距13 m；上面取至地表面，该处按实际隧道埋深取13 m；下面取至隧道底部以下15m(2.5D)；横向取至隧道外侧29 m(约5D)；沿线路纵向取60 m长。

如图1所示。

表1 土体模型各项参数土层土层名称厚度/mK/MPaG/MPakϕ/kPaqϕqψ②-1b2-3(软～可塑)粉质黏土33.661.5017.30.7180.194②-1c2-3(饱和、中～稍密)粉土27.783.8017.30.7180.194②-1d3-4(饱和、松散～稍密)粉砂夹细砂59.215.5213.50.7710.194②-2d2-3(饱和、中～稍密)粉砂夹细砂88.144.8813.50.7710.231②-3d2-3(饱和、中～稍密)粉细砂108.204.6915.70.7730.231②-4d1-2(饱和、稍密～密实)粉细砂88.064.6012.70.8210.268图1 模型计算范围与边界条件示意(单位：m)采用位移边界条件，该模型上面为地表，取为自由边界；两侧面限制水平移动；底部为固定边界，限制水平移动和竖直移动。

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]。

盾构隧道管片弯矩分布特性数值模拟分析Abstract：In order to study the distribution of internal force of shield tunnel lining，three kinds of computational procedures for calculating bending moment distribution in segments of shield tunnel were summarized and analyzed. A new loading-structure method for calculating the distribution characteristics of bending moment was proposed based on soil pressure calculation method with the soil mechanics principles. Taking the shield tunnel in Shenyang Metro as an example，the difference of bending moment distribution calculated with the common method，finite element method and loading-structure method were compared. The computational results showed that there are some differences for bending moment distribution calculated with different computational methods. By using finite element method，the influence of the coefficient of earth pressure at-rest on bending moment distributions was simulated. The results showed that the maximum moment on segment decreases with increase of the coefficient of earth pressure at-rest.Key words：shield tunnel segment；earth pressure；earth mechanics；bending moment；Poisson“s ratio of soil近年来，世界上隧道工程的大量建设极大促进了隧道工程相关技术水平的进步，大多数国家在盾构隧道衬砌结构的设计方面都已形成较为固定的方法。

盾构刀盘掘进数值模拟分析摘要：针对复杂层条件下由于岩土软硬不均造成刀盘应力集中、震动变形等问题，以某盾构项目盾构刀盘和地层参数为基础，结合盾构施工过程控制参数，采用数值模拟的方法，深入研究复杂地层条件下盾构动态掘进过程中刀盘应力应变和模态震动特性，得到了刀盘在掘进过程中应力应变在不同地质条件下变化状况和不同频率段刀盘震动变化趋势，确保了刀盘设计的可靠性，为盾构刀盘设计提供了技术保障。

关键词：盾构刀盘；应力应变；模态震动；数值模拟；0引言在盾构掘进过程中，主要依靠刀盘刀具旋转对掌子面挤压进行破岩。

在刀盘刀具破岩过程中，由于岩土本身具有一定抗压、粘度等物理特性，尤其在软硬不均地层中，由于岩土物理特性不一，而对刀盘受力造成一定程度的集中和冲击，影响刀盘使用寿命，更为严重的情况会影响隧道施工进度和安全[1-3]。

为了保证刀盘安全性，须对刀盘强度进行强度计算分析，但是传统计算分析大多是通过力学计算模型进行计算，随着计算机技术的发展，计算机模拟分析逐步替代了传统的计算方式，虽然也有很多专家学者使用计算机对刀盘受力状况进行了模拟，如采用计算机模拟了刀盘与岩石相互作用，分析刀盘与岩石刚度对刀盘参数的影响、对刀盘在静态环境下应力应力有限元分析、刀盘运动数字仿真，采用有限分析方法对刀盘进行有限元设计等[4-6]，但是这些研究主特点是把刀盘刀具考虑为静态情况进行单一受力分析，与盾构实际掘进工况相差较远，远远不能够科学合理的设计盾构刀盘。

以某项盾构现场掘进参数及基础，结合现有有限元分析在刀盘刀具分析方面的应用状况，采用Ansys Workbench 完成盾构刀盘准动态掘进分析。

通过研究刀盘在不同地质条件下的应力应变情况和在不同运动频率下刀盘模态震动趋势，为盾构刀盘设计和现盾构掘进参数控制提供指导。

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

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。

北京地铁六号线青年路车站～十里堡车站区间隧道穿越铁路FLAC3D数值分析报告中国矿业大学（北京）土木工程系二Ο一零年一月1. 概述1.1 引言地铁区间隧道盾构法施工是目前广泛采用的隧道施工技术。

在我国，地铁施工造成地面沉陷、周边建（构）筑物损害、隧道涌水、城市生命线工程损害等事故时有发生，往往造成严重的经济损失与社会影响；其中隧道施工引起地层沉降的三维预测与控制问题尤显重要。

在隧道工程施工以前，国内外普遍采用数值模拟分析计算的方法预测施工引起的地表变形及对周边建构筑物的影响。

即将建设的北京地铁六号线工程——青年路车站～十里堡站区间隧道工程，盾构隧道从铁路下穿过，考虑到建筑物稳定性的需要，需对此施工过程进行数值分析。

本报告采用国际上最先进的岩土工程数值分析软件系统，对隧道施工进行了三维数值分析，来说明隧道施工的先后顺序。

1.2 工程概述十里堡站~青年路站区间沿现状朝阳北路道路南侧地下敷设，线路呈东西走向，西段区间起于朝阳北路与十里铺路相交路口的十里堡站，出站后沿朝阳北路路中向东敷设，线路经过一人行天桥、京包铁路及箱涵，止于朝阳北路与青年路相交路口的青年路站。

区间全长1041.54m，采用盾构法施工。

在区间中部穿越京包铁路及京包铁路下的箱涵。

铁路箱涵外包尺寸43.15m×7.8m，采用混凝土预制顶进施工，箱涵的南北两侧局部设置护坡桩，桩长约14m。

铁路为5股道，分别是电厂专用线，东北环线，星双联络线，砖瓦厂专用线和建材厂专用线。

2 三维数值分析建模与软件系统概述地铁隧道施工是典型的三维空间问题，盾构隧道施工引起的地表沉降具有显著的时空效应。

隧道施工动态过程引起地层移动变形包括：先期沉降、前方沉降或隆起、通过时的沉降、建筑空隙引起的沉降与滞后沉降等。

隧道施工对地表影响的研究方法有：经验公式、随机介质理论法、弹塑性与粘弹塑性理论解析法、数值计算方法等。

施工之前，基于现场工程条件的三维数值模型是计算地表沉降最有效的手段。