盾构的数值仿真分析

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摘要： 随着城市经济的发展，地铁等地下工程的施工越来越多，盾构施工使周边建筑物及管线的基础应力得到释放，或由于附加应力的影响引起地基下沉或隆起，这种变形对地面建筑物影响程度与有效间距、施工范围与建筑物间的土质情况等有关。

Abstract: With the development of city economy, there are more and more underground engineering as subway, Shielding construction make the surrounding buildings and pipelines releasing its foundation stress, or for the influence of additional stress, the foundation settlement or uplift will appear, the deformation depend on the effective distance，area of the construction, etc.

关键词： 地下工程；地基沉降；盾构施工

Key words: underground engineering；foundation settlement；Shielding construction

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）21-0090-03

1 关于Ansys有限元软件

1.1 ANSYS简介 ANSYS是目前广泛应用于机械工程领域的数值分析软件，通过在计算机上模拟现场的各种条件，通过节点间的连接模拟构件的实际受力情况，通过加载受力，在计算机上提前预测各种不利效应，从而判断该结构是否满足安全、使用要求。

1.2 ANSYS软件主要功能 ANSYS软件能模拟大部分物理力学作用，可广泛的用于地下工程、航空航天、机械摩擦和制造、物理碰撞、桥梁施工、温度效应、大型水利工程、等诸多专业学科。能对结构进行自适应单元划分，从而进行非线性分析，通过对参数的调整，确定各影响因素的敏感性，对各种设计方案进行优化，从而在实际应用中，通过各种物理化为作用，对敏感度高的影响因素重点改进，对耗费经济少，功效较高的影响因素重点优化，确定最优设计方案。

在盾构施工中，由于土层的受力比较复杂，根据经验难以断定地层的损失量，采用过于保守的设计会加大工程造价，通过ANSYS模拟盾构隧道施工全过程，可以有效的控制工程造价，保证地下工程施工安全。

2 盾构隧道分析

采用四结点单元划分网格如图2所示：

首先我们研究盾构开挖时所产生的沉降变形，由于衬砌单元具有很强的刚度，开挖过程中并没有衬砌单元的存在，于是先采取单元生死技能杀死衬砌单元便可以得到，要激活“单元死”的效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子[ESTIF]。从而不对载荷向量生效。

从云图4可以看出，地表沉降在隧道盾构正上方处沉降量最大，离正上方水平距离越远，沉降越来越小，成正态分布，下面采用peck理论公式计算进行对比。

Peck公式为：Sx＝Smaxexp（-x2/（2i2））

式中：Sx——x处的沉降量。

x——离中线的水平距离；

Smax——中心处的最大沉降值；

i——宽度系数。

最大沉降量采用下式估算：

Smax=Vs/（sqrt（2∏）i）

Vs——盾构引起的地层损失；

i——沉降槽的宽度系数。

计算结果显示，沉降呈正态分布，根据数据作图如5所示。

由云图6可以看出，在盾构周围有较大的应力，为了保证盾构隧道的强度，及时给盾构后的四周支护衬砌。激活衬砌单元，使衬砌的刚度发生作用，目前的地铁施工中，采用拼装管片的方法使圆形管片形成封闭的衬砌环，可以得到后续第二步变形如图7所示。

从云图7可以看出，衬砌的激活对沉降并没有什么影响，衬砌的目的是用了加强隧道壁的刚度的。

按一层楼1.8KN/m2的恒重加载，分别在隧道上方加5层楼和3层楼的荷载，每层楼按100m2折算。

由图9可以看书，加载后，地面沉降有所加强，地铁通常在城市施工，建筑物较为密集，周边建筑物产生的荷载要大的多，为了减小盾构隧道对地面沉降的影响，减小地面建（构）筑物及地下管线受到的破坏，我们对土体进行加固处理，使土层的承载力增大，粘聚力变大，抗剪切强度得到提高，摩擦角增大，实际施工中有采用高压旋喷桩、水泥搅拌桩、高压注浆等方法。

根据图10、11对比未加固土层的云图可以看到，土层经过加固后，变形有了改善，只是在隧道正上方可以看到比较明显的变形，符合peck公式的理论分析结果。

参考文献：

[1]朱伟（译）.隧道标准规范（盾构篇）及解说.北京：中国建筑工业出版社2004.1 96～172.

[2]覃仁辉，隧道工程.重庆：重次大学出版社.2001,1～6.

[3]沈培良，张海波，殷宗泽．上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析[J]．河海大学学报（自然科学版），2003，31.556～559.

[4]张海波，殷宗泽，朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元分析.岩石力学与工程学报,2005,24期755～760.

[5]刘洪震，赵运臣．广州地铁“越一三”区间盾构工程地表沉降原因分析．隧道建设，2002，22期20～23.