迎坡条件下地铁盾构隧道施工数值模拟分析

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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

中图分类号：U45文献标识码： A

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移。

(2)等代层模拟

在确定等效层厚度时，采用专家提出经验公式：

（3）

此处选取弹性模量为59.97MPa，泊松比为0.2，为 1.0。

2计算模型的建立

2.1 工程概况

广州市地铁四号线L区间隧道左线2000.5m(右线2060.5m)，隧道主要穿越素填土、粉质粘土、可塑状砂质粘性土(5Z-1>、硬塑状砂质粘性土(5Z-2>、全风化混合岩(坚硬岩层)(9Z)，具有一定自稳能力。L隧道位于潜水水位以下，稳定潜水水位高程为12.7m，盾构机可承受一定的地下水水压。区间隧道ZK18+480--+800段最小埋深约为11m，最大埋深约为23m，平均埋深 17m。该路段线路纵坡为37%0，属大坡度隧道。盾构机内径 6150mm，盾构圆形隧道衬砌管片外径D=6000mm、内径d=5400mm，管片厚度300mm，管片宽度 1500mm，采用C50钢筋混凝土材料，弯螺栓方式拼装。

地层物理力学参数考虑开挖卸荷对土体力学性质的影响，其中粘聚力按降低15%考虑，内摩擦角按降低30%考虑。

2.2 计算模型建立

计算采用有限差分程序FLAC3D进行施工模拟。地表侧面和底面为模型的位移边界：侧面限制水平位移，底面限制竖向位移。

具体计算中按各地层的厚度建立模型如下。计算选取范围为:水平X方向取70m，沿线路纵向Y方向取60m，向上按理深取至地表，向下取10m。隧道坡度按37%0。考虑。具体计算模型见图2。

图2 数值计算模型图

3 计算结果分析

3.1地层位移计算结果与分析

(1)横断面地层X方向水平位移计算结果

图3为埋深为18m的横断面处地层沿X方向的水平位移的分布情况。

图3沿X方向地层水平位移分布曲线

(a)盾构隧道施工引起的X向水平位移相对较小，最大水平位移值不超过6mm；

(b)比较不同深度地层处的X向水平位移可知，隧道上方的土体受隧道施工地层损失等因素的影响，故X向水平位移总体表现指向隧道中心方向；

(c)在上述四条曲线中，距地表11m处(此处土层深度距隧道顶部距离约为4.0m)的土体在靠近隧道处产生指向隧道中心的位移，而从距离隧道中心线约1.5D处开始产生远离隧道方向的水平位移，但其值较小，这可能是受隧道结构的影响引起的。

(2)横断面地层Z方向(竖向)位移计算结果

与水平方向的位移相比，盾构施工引起的土体竖向位移较大，其中隧道中心正上方处的竖向位移最大，在地表达到巧15mm以上，向隧道两侧逐渐减小；

从不同深度处土层位移分布可看出，随着距地表深度的增加，隧道上方一定范围内的竖向位移也随之增大，而隧道两侧较远处的竖向位移则逐渐减小，这说明离隧道越近，周边地层受隧道施工扰动所产生的位移越大，但其影响范围较小。

3.2隧道洞周位移计算结果与分析

结构位移的发生和发展是结构力学行为动态的综合反映，不管隧道的作用机理如何复杂，其经受各种作用后的反应可以通过量测内表面的位移体现出来。通过周边位移观测来了解隧道的力学动态是比较直观也易于实施的办法，隧洞的稳定性也应该从周边位移变化和

发展得到。取隧道开挖后工作面后方10m处的洞周位移进行分析。其计算结果如表1所示。

表1 隧道洞周位移计算结果

从计算结果可知，两拱腰的水平位移较大，拱顶竖向较大。拱腰竖向位移及拱顶和隧底的水平位移较小。

3.3开挖面应力计算结果与分析

图4为隧道开挖后工作面附近的最大和最小主应力分布图。从图4可看出，最大主应力分布于隧道开挖面正前方，最小主应力分布于隧道两侧拱腰附近。

（a）最小主应力分布图 (b)最大主应力分布图

图4隧道开挖后周边地层主应力分布图

3.4开挖面附近塑性区计算结果与分析

隧道开挖后，支护面周围的塑性区以剪切屈服为主，开挖后及时安装管片及注浆的作用，塑性区得到控制，只在开挖面前方4-5m范围内存在，且与中心竖直线成45度的角度向上发展。

4结束语

随着计算机技术等相关理论知识的发展，计算机数值模拟手段已广泛应用于隧道工程实践中。它结合经验与理论能更直观的再现盾构隧道施工过程，可以获得较好的结果。

参考文献

[1]董华珍，王仲林.城市轨道交通中小半径曲线问题探讨.四川建筑2005,6,3: 41 -42

[2]张凤祥，朱合华，傅德明等.盾构隧道，人民交通出版社，2004，9

[3]张学军，地铁长大坡道设计相关问题的探讨，都市轨道交通，2005. 10(5)