第 7 期于德海张涛姜谙男 : 考虑施工过程的地铁盾构仿真模拟及沉降分析 89 场实测表明, 采用二维平面有限元可模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程 ;K.M.Lee 和 R.K.Rowe [6] 发展了一种用于模拟施工工序隧道位移及应力状态对地 [7] 面沉陷影响的三维弹塑性有限元法 ; 易宏伟和孙

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蹇羲古
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1 2015 年 7 月第 7 期 ( 总 202) 铁道工程学报 JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY Jul 2015 NO.7(Ser.202) 文章编号 : (2015) 考虑施工过程的地铁盾构仿真模拟及沉降分析于德海张涛姜谙男 ( 大连海事大学, 大连 ) 摘要 : 研究目的 : 随着城市建设的不断发展, 地铁的开发和利用已经扩展到各个工程领域, 且发挥着重要的社会和经济效益同时, 地下隧道网络的不断完善使得盾构施工现象大量涌现, 施工的相互影响问题也日益突出本文以大连地铁 202 标段香沙区间为例, 对盾构开挖引起地表沉降规律进行模拟, 并结合工程实际地质情况和现场监测数据进行盾构开挖的三维仿真分析, 研究其对周围环境的影响效应研究结论 : 结果表明 :(1) 在盾构施工中, 横向地表沉降呈 V 形, 即在盾构正上方地表沉降大, 两边沉降逐渐减小 ;(2) 纵向地表沉降呈 S 形, 即盾构开挖面正前方呈隆起, 开挖面后呈下沉, 在距开挖面后一定距离沉降呈稳定 ;(3) 本研究成果可用于施工过程中地铁盾构隧道的监测与分析关键词 : 地铁施工 ; 盾构开挖 ; 地表沉降 ; 监测中图分类号 :U451 文献标识码 :A NumericalAnalysisofShield TunnelSetlementConsidering Construction Proces YUDe-hai,ZHANG Tao,JIANG An-nan (DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China) Abstract:Researchpurposes:Withthedevelopmentofurbanconstruction,undergroundtunnelbringssocialand economicbenefitsinvariousengineeringfields.atthesametime,theimpactofshieldconstructionisalsoincreasingly prominent.theresearchonshieldtunnelingof202bidsectionofdalianmetroiscariedouttoanalyzetheinfluential efectofsurfacesetlementbythree-dimensionalfiniteelement,combinedwithgeologicalconditionsandon-site monitoringdata. Researchconclusions:Theresultsshowthat:(1)TheV-shapedlateralsurfacesubsidenceislargeabovetheshield, anditdecreasesontwosides.(2)theverticalsurfacesubsidenceiss-shaped,thatisthegroundheavesinthefront ofexcavationface,itsinksinthebackofexcavationface,anditisstableinthecertaindistance.(3)theresearch resultsofthispapercanmonitormetroshieldtunnelintheconstruction. Keywords:metroconstruction;shieldtunneling;surfacesetlement;monitoring 1 引言随着城市建设的不断发展, 地铁的开发和利用已经扩展到各个领域, 且发挥着重要的社会和经济效益同时, 地下隧道网络的不断完善使得盾构施工现象大量涌现, 施工的相互影响问题也日益突出 [1-4] 自盾构法问世以来, 其隧道施工的研究得到了国内外广泛的重视 R.J.Finno 和 G.W.Clough [5] 经现收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ); 中央高校基本科研业务费资助 ( , ) 作者简介 : 于德海,1977 年出生, 男, 副教授

2 第 7 期于德海张涛姜谙男 : 考虑施工过程的地铁盾构仿真模拟及沉降分析 89 场实测表明, 采用二维平面有限元可模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程 ;K.M.Lee 和 R.K.Rowe [6] 发展了一种用于模拟施工工序隧道位移及应力状态对地 [7] 面沉陷影响的三维弹塑性有限元法 ; 易宏伟和孙钧对上海地区软土盾构隧道不同受力阶段以及地表沉降 [8] 次固结问题进行了有限元数值分析 ; 张志强等建立了模拟盾构机 ( 包括刚度自重和推力 ) 前行掘进隧道的三维有限元模型, 并应用于南京地铁隧道工程 ; 朱合 [9] 华等针对盾构隧道的掘进阶段注浆材料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法, 并将其应用于大阪 [10] 地铁 7 号线盾构隧道的力学分析中 ; 张海波提出了一种能够综合考虑各种因素的盾构隧道的三维非线性有限元模拟方法, 包括材料性态载荷条件等目前, 对于地铁盾构开挖的研究大多基于随机介质理论, 考虑地层特性和施工过程的较少本文以大连地铁 202 标段香沙区间为例, 对盾构开挖引起地表沉降规律进行模拟, 并结合现场施工数据进行盾构开挖的三维仿真分析, 研究其对周围环境的影响效应 2 工程概况大连香沙路段地铁区间为盾构法施工, 总长约 m, 线间距约 29.1~36m 盾构开挖隧道为圆形隧道, 隧道结构外径为 6m, 内径为 5.4m, 管片厚度为 0.3m, 管片宽度为 1.2m, 衬砌管环由 4 个预制装配式钢筋混凝土管片拼装组成按岩石特性, 地质情况从上到下依次为 : 素填土 ; 全风化泥灰岩, 岩体基本质量等级为 Ⅴ 级 ; 强风化泥灰岩, 岩体基本质量等级为 V 级 ; 中风化泥灰岩, 岩体基本质量等级为 Ⅳ 级 3 计算模型的建立 3.1 计算模型模型沿 x y z 轴的计算尺寸分别为 36m 12m 37m 隧道直径为 6m, 平均埋深取 16m, 纵向长度取 12m, 每次开挖 1.2m, 共开挖 10 步模型采用位移边界条件, 上部为地表面, 可作为自由面 ; 两侧面限制其 x y 方向位移 ; 前后面限制其 y x 方向位移 ; 底部为固定边界, 限制其 x y z 方向位移 3.2 土层参数根据地质勘查报告, 隧道上覆土层及穿越土层自上而下分别简化为素填土全风化岩强风化岩中风化岩四个均质水平层状分布的土层, 具体参数如表 1 所示材料强度准则采用莫尔 - 库伦屈服准则表 1 各土层主要物理力学参数名称厚度 /m 弹性模量 /GPa 泊松比容重 /mm 3 孔隙比黏聚力 /GPa 摩擦角 /( ) K 0 杂填土 E E 全风化岩 E E 强风化岩 E E 中风化岩 E E 在管片与围岩之间的空隙由注浆液进行填充, 以防止围岩下沉和松散这个空隙是一个闭合圈层, 即为等代层在数值计算中, 等代层以增强管片弹性模量来模拟 3.3 盾构施工过程模拟整体隧道模型如图 1 所示, 隧道总长为 12m, 盾构从 0m 推进至 12m, 每次推进一环, 即 1.2m, 分 10 步完成开挖土舱压力与管片模型如图 2 所示, 土舱压力根据现场施工定为 0.345MPa, 方向沿 y 轴, 随着隧道开挖沿 y 轴向前推进 ; 衬砌管片采用实体单元模拟, 宽 1.2m, 厚 0.3m, 采用弹性本构模型, 每步开挖完后施加管片, 每环由 4 个预制转配式管片拼装组成图 1 隧道模型

90 铁道工程学报 2015 年 7 月图 2 模拟开挖在模拟计算中, 首先计算隧道初始应力场及进行静力分析, 隧道在边界及自重作用下达到平衡, 且初始位移清零然后开始分步开挖, 先进行第 1 步开挖, 并在第 1 步开挖后,

1 隧道开挖纵向与横向位移监测在隧道全部开挖完后, 如图 3 所示布置监测点, 将此段地表等分成 20 等分, 随着施工顺序进行地表沉降监测, 直到隧道总体开挖完由监测数据来控制盾构图 4 地表纵向监测模型量挖掘速度和土舱压力, 如图 4

2mm; 盾尾后面部分及第 4 阶段地表位移沉降为增大趋势, 由于模型共建 12m, 第 1 阶段和第 5 阶段没有模拟出来, 但根据第 2 3 4 阶段可以推断出第 1 5 阶段的地表位移变化趋势, 如图 5 所示图 5 理论隧道开挖阶段图 3

3 90 铁道工程学报 2015 年 7 月图 2 模拟开挖在模拟计算中, 首先计算隧道初始应力场及进行静力分析, 隧道在边界及自重作用下达到平衡, 且初始位移清零然后开始分步开挖, 先进行第 1 步开挖, 并在第 1 步开挖后, 在隧道掌子面上施加土舱压力, 再进行第 2 步开挖, 同时施加土舱压力, 并在第 1 步开挖后的隧道上施加管片以此类推, 一直开挖到第 10 步 4 计算结果分析 4.1 隧道开挖纵向与横向位移监测在隧道全部开挖完后, 如图 3 所示布置监测点, 将此段地表等分成 20 等分, 随着施工顺序进行地表沉降监测, 直到隧道总体开挖完由监测数据来控制盾构图 4 地表纵向监测模型量挖掘速度和土舱压力, 如图 4 所示, 为第 14 等分处的开挖监测, 并与图 5 进行对比在盾构机刀盘前及第 2 阶段, 地表有较小的沉降, 为 -1.17mm; 在盾构机第 3 阶段位置处, 地表沉降为 -1.2mm; 盾尾后面部分及第 4 阶段地表位移沉降为增大趋势, 由于模型共建 12m, 第 1 阶段和第 5 阶段没有模拟出来, 但根据第阶段可以推断出第 1 5 阶段的地表位移变化趋势, 如图 5 所示图 5 理论隧道开挖阶段图 3 地表纵向监测点布置在横向监测中, 其监测点布置如图 6 所示, 监测数据及地表位移变化曲线如图 7 所示由图 7 可以看出, 横向地表沉降为一漏斗形曲线, 在隧道正上部地表沉降最大, 隧道两侧地表沉降逐渐减小, 最大沉降为 -2.25mm, 沉降量很小, 并与实测值相符, 属于安全范围 4.2 隧道施工现场监测香沙区间为盾构法施工, 在掘进时, 按照施工先后顺序进行排列, 引起地表纵向沉降曲线实测值如表 2 所示

第 7 期于德海张涛姜谙男 : 考虑施工过程的地铁盾构仿真模拟及沉降分析 91 图 6 地表横向监测点布置图 7 地表横向监测表 2 地表纵向沉降实测数据统计测点编号初始高程 /m 本期各次变形 /mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DB-01-01 17.62389 0.11-0.11-0.22-0.16-0.14-0.14-0.25-0.14-0.16-0.11 对应点的累计变形 -2.

4 第 7 期于德海张涛姜谙男 : 考虑施工过程的地铁盾构仿真模拟及沉降分析 91 图 6 地表横向监测点布置图 7 地表横向监测表 2 地表纵向沉降实测数据统计测点编号初始高程 /m 本期各次变形 /mm DB 对应点的累计变形测点编号初始高程 /m 本期各次变形 /mm DB 对应点的累计变形在隧道开挖横断面处, 监测按施工顺序掘进地表沉降实测监测图如图 8 所示由图 8(b) 可知, 在隧道开挖横断面上, 中间部分由于土层压力的影响, 沉降比较大, 两侧由于受到盾构机的推力和注浆压力, 地表发生向上隆起, 但总体位移变化很小, 施工较安全 4.3 定点位移监测在隧道开挖线中央上部地表选定一个监测点, 标记为点, 如图 9 所示由图可知, 监测点的位移变化趋势整体呈现减小的趋势, 并最后趋于平稳, 分析其原因, 由于模型模拟的隧道开挖步骤比较少, 所以标记点距离隧道初始开挖比较近, 在初始开挖时, 盾构图 8 地表沉降实测监测图机未通过监测点, 盾构机对未开挖土体产生影响, 上部土体在土压力作用下, 产生下沉变形, 因此监测点地表会产生一个较大的下沉, 随着盾构机的推进, 距离监测点处下部隧道土体的水平力逐渐增大, 水平力对上部土体产生一个向上的推力, 使监测点的位移逐渐减小, 当盾构机通过监测点后, 施加管片及注浆, 监测点处的沉降量进一步减小, 但整体位移最大为 -2.27mm, 变形较小并趋于稳定 4.4 开挖应力区与塑性区分析隧道在开挖过程中, 其应力区与塑性区如图 10 所示

92 铁道工程学报 2015 年 7 月图 9 标记点监测图 10 隧道开挖应力区与塑性区剖面图隧道未开挖土体在盾构机土舱压力作用下, 其应力模型如图 10(a) 所示由图可知, 盾构开挖对刀盘前方的土体应力影响较大, 尤其是最大主应力, 其次为土体上方, 盾构机周围土体的应力变化也较大隧道未开挖土体在盾构机土舱压力作用下, 其塑性区模型如图 10(b) 所示

盾构施工在横向地表沉降上呈 V 形, 即隧道正上方沉降大, 两边沉降逐渐减小, 最终形成一个 V 形 (3) 盾构施工在纵向地表沉降上呈 S 形, 即盾构开挖面前方一定距离呈隆起, 开挖面后呈下沉, 随着开挖的前进, 断面沉降趋于稳定参考文献 : [1] 张云, 殷宗泽, 徐永福. 盾构法隧道引起的地表变形分析 [J]. 岩石力学与工程学报,2002(3):388-392.

5 92 铁道工程学报 2015 年 7 月图 9 标记点监测图 10 隧道开挖应力区与塑性区剖面图隧道未开挖土体在盾构机土舱压力作用下, 其应力模型如图 10(a) 所示由图可知, 盾构开挖对刀盘前方的土体应力影响较大, 尤其是最大主应力, 其次为土体上方, 盾构机周围土体的应力变化也较大隧道未开挖土体在盾构机土舱压力作用下, 其塑性区模型如图 10(b) 所示土体的屈服破坏以剪切屈服为主, 拉破坏区很小, 大部分区域未发生屈服破坏, 只是在开挖面处外围地层发生剪切破坏 5 结论通过对大连地铁香沙区间盾构隧道的三维数值模拟及其地表沉降分析, 从一个新的角度对盾构施工过程及其影响效应进行了研究, 并得出以下几点结论 : (1) 对盾构施工的全过程进行仿真模拟, 并与现场实测监测数据进行对比分析, 其结果可对后续施工进行指导 (2) 盾构施工在横向地表沉降上呈 V 形, 即隧道正上方沉降大, 两边沉降逐渐减小, 最终形成一个 V 形 (3) 盾构施工在纵向地表沉降上呈 S 形, 即盾构开挖面前方一定距离呈隆起, 开挖面后呈下沉, 随着开挖的前进, 断面沉降趋于稳定参考文献 : [1] 张云, 殷宗泽, 徐永福. 盾构法隧道引起的地表变形分析 [J]. 岩石力学与工程学报,2002(3): ZhangYun,YinZongze,XuYongfu.AnalysisofThree- dimensionalgroundsurfacedeformationsduetoshield Tunnel[J].ChineseJournalofRockMechanicsand Engineering,2002(3): [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(2): LiuYuanxue,ShiJianyong,XuJiang,etc.Numerical SimulationofExcavationofShieldTunnel[J].Chinese JournalofGeotechnicalEngineering,2004(2): [3] 季亚平. 考虑施工过程的盾构隧道地层位移与土压力研究 [D]. 南京 : 河海大学,2004. JiYaping.StudyofStratum DisplacementandEarth PresureConsideringConstruction Program ofshield Tunnel[D].Nanjing:HohaiUniversity,2004.

6 第 7 期于德海张涛姜谙男 : 考虑施工过程的地铁盾构仿真模拟及沉降分析 93 [4] 张鹏. 盾构隧道管片施工力学性能三维数值模拟研究 [J]. 铁道工程学报,2012(7): Zhang Peng. Research on MechanicalProperty of SegmentofShield TunnelDuring Construction with Three-DimensionalNumericalSimulation[J].Journal ofrailwayengineeringsociety,2012(7): [5] FinnoRJ,CloughG W.EvaluationofSoilResponseto EPB Shield Tunneling[J]. JournalofGeotechnical Engineering,1985(2): [6] LeeK M, Rowe R K. An Analysisfor Three- dimensionalground Movements:the Thunder Bay Tunnel[J].CanadianGeotechnicalJournal,1991(1): [7] LeeK M, Rowe R K. An Analysisfor Three- dimensionalground Movements:the Thunder Bay Tunnel[J].CanadianGeotechnicalJournal,1991(1): [7] 易宏伟, 孙钧. 盾构施工对软黏土的扰动机制分析 [J]. 同济大学学报,2000(3): Yi Hongwei, Sun Jun. Mechanism Analysis of DisturbanceCausedbyShieldTunnelingonSoftClays [J].JournalofTongjiUniversity,2000(3): [8] 张志强, 何川, 佘才高. 南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析 [J]. 铁道学报,2005(1): Zhang Zhiqiang,He Chuan,She Caigao. Three - dimensionalfiniteelementmodelingofexcavationand AdvancementProcesesofShieldTunnelConstructionin NanjingMetro[J]. Journalofthe China Railway Society,2005(1): [9] 朱合华, 丁文其, 李晓军. 盾构隧道施工力学性态模拟及工程应用 [J]. 土木工程学报,2000(3): ZhuHehua, Ding Wenqi, LiXiaojun. Construction Simulation for the Mechanical Behavior of Shield TunnelandItsApplication[J].ChinaCivilEngineering Journal,2000(3): [10] 张海波. 地铁隧道盾构施工对周围环境影响的数值模拟 [D]. 南京 : 河海大学,2005. ZhangHaibo.NumericalSimulationoftheInfluenceof ShieldTunneling on Surrounding Environment[D]. Nanjing:HohaiUniversity, 檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨 ( 上接第 76 页 FromP.76) 参考文献 : [1] 曹建猷. 电气化铁道供电系统 [M]. 北京 : 中国铁道出版社,1983. CaoJianyou.PowerSupplySystem ofelectricrailway [M].Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,1983. [2] 李群湛, 贺建闽. 牵引供电系统分析 ( 第 3 版 )[M]. 成都 : 西南交通大学出版社,2012. LiQunzhan, He Jianmin. Traction Power Supply System Analysis(3rd Edition) [M ]. Chengdu: SouthwestJiaotongUniversityPres,2012. [3] 吴命利, 黄足平, 辛成山. 降低电气化铁道钢轨电位技术措施的研究 [C]// 铁路客运专线建设技术交流会论文集. 武汉 : 长江出版社,2005. WuMingli,HuangZuping,XinChengshan.Studyof Measure of Reducing Rail Potential[C]// The Proceedings of Construction Technique Seminar of Railway Line for Pasenger Trafic. Wuhan: ChangjiangPres,2005. [4] 苏鹏程. 客运专线电气化铁路的综合接地系统 [C]// 铁路客运专线建设技术交流会论文集. 武汉 : 长江出版社, SuPengcheng.IntegratedGroundingSystem ofrailway LineforPasengerTrafic[C]//TheProceedingsof ConstructionTechniqueSeminarofRailwayLinefor PasengerTrafic.Wuhan:ChangjiangPres,2005. [5] 贾秀芳, 马益锋, 黄俊, 等. 牵引变电所地返回电流及接地网电位抬升研究 [J]. 电力系统保护与控制,2012 (10): Jiaxiufang,MaYifeng,Huangjun,etc.Researchon Earth-returnCurrentandGroundingGridPotential Rise in Traction Substation [J]. Power System ProtectionandControl,2012(10): [6] 吴命利. 电气化铁道牵引网的统一链式电路模型 [J]. 中国电机工程学报,2010(28): Wu Mingli. Modeling of AC Feeding Systems of ElectricRailwaysBasedonaUniform Multi-conductor ChainCircuitTopology[J].ProceedingsoftheCSEE, 2010(28): [7] TB , 铁路电力牵引涉及规范 [S]. TB , Standards for Railway Electric Traction[S]. [8] 陈屹, 邓云川. 遂渝线无砟轨道综合接地系统钢轨电位及电流分布的分析 [J]. 铁道工程学报,2007(S1): ChenYi,DengYunchuan.AnalysisofRailPotential andcurrentdistributionofintegratedearthingsystem forbalastlestrack ofsui-yu RailwayLine[J]. JournalofRailway Engineering Society,2007(S1):

石家庄铁道大学学报自然科学版 18 b 布设图 (a) 抗拔桩图第 31 卷抗拔桩的具体布设情况三维数值模型建立及计算研究范围以地铁左线中心线与翠屏山隧道相交处南侧桩号 K 为中心点 X 方向地铁盾构掘进方向取 72 m 长 Y 方向翠屏

石家庄铁道大学学报自然科学版 18 b 布设图 (a) 抗拔桩图第 31 卷抗拔桩的具体布设情况三维数值模型建立及计算研究范围以地铁左线中心线与翠屏山隧道相交处南侧桩号 K 为中心点 X 方向地铁盾构掘进方向取 72 m 长 Y 方向翠屏 31 3 Vol. 31 No. 3 2018 9 Journal of Shijiazhuang Tiedao University Natural Science Edition Sep. 2018 072750 ANSYS 18. 2 mm TU528. 01 1 A 2095-0373 2018 03-0017 - 06 2001 30 13. 5 m 7. 2 m K35 + 365. 85