平行盾构隧道施工对地表和既有隧道影响的数值模拟

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1、平行盾构隧道施工对地表和既有隧道影响的数值模拟摘要：平行隧道净距的大小将对地表沉降和既有隧道的变形、内力产生影响。本文采用三维有限元方法，考虑管片衬砌的横观各项同性，计算了不同净距条件下地表横向沉降、既有隧道变形和内力随新隧道动态推进的变化。计算表明，随着平行隧道净距的增大，地表横向沉降、既有隧道不均匀变形和弯矩、轴力均减小。关键词：平行隧道；盾构法；横观各项同性；数值模拟中图分类号：U45文献标识码：A0引言随着城市的发展，地铁网络逐步形成。为了节约造价，地铁隧道常采用平行双洞形式，由于受到地形条件或

2、征地条件的限制，要求两隧道的间距尽可能减小，有时甚至远小于规范限制的最小间距，超出了规范6m的要求。6盾构法修建地铁隧道具有对周围环境影响小、施工安全快速等优点，已成为地铁建设的主流施工方法。由于新老隧道间距小，新隧道的掘进难免会对地表和老隧道产生影响。本文考虑管片衬砌结构横观各项同性，采用三维有限元方法模拟不同净距下盾构隧道动态推进过程中横向地表沉降和老隧道变形、内力的变化，总结平行隧道净距对上述值的影响。1计算模型及推进模拟1.1有限元模型建立有限元模型示意图如图1所示。两洞圆心到模型侧边界距离4D

3、，到顶部边界距离2.5D，到底部边界距离4D，净距根据不同计算工况分别取0.5D，1.0D，1.5D，其中D为管片外径，D=6m。盾构共沿-Z方向掘进60m（Z=0至Z=-60m）。为了缩短计算时间并获取满足计算要求的较高精度，计算中老隧道采用一次顶推完成，新隧道采用2环1组的拼装进度进行顶推施工，单次顶推进尺3m（相当于2环），共沿隧道纵向顶推40个管片环。计算采用三维实体单元模拟围岩土体、壁后注浆层，采用壳单元模拟管片衬砌结构。管片衬砌按等价圆环作刚度折减处理。考虑其横观各项同性，横向和纵向刚度折减

4、系数分别取0.8和0.01。土体及结构材料物理力学参数如表1所示。表1土体及结构材料物理力学参数图1有限元模型1.2推进过程模拟6计算采用“单元生死”进行盾构推进过程的模拟，即通过单元的“杀死”和“激活”来模拟核心土的开挖和管片支护的形成及注浆的固结；通过施加径向和轴向节点反力来模拟荷载释放及掌子面上的顶推力。2计算结果分析为减小边界效应的影响，以下结果如无特别说明，均为取Z=-30m处的相关截面或节点的计算值。2.1对地表横向沉降的影响计算得到的不同净距条件下地表横向沉降槽曲线如所示。新盾构隧道推进引

5、起的地表横向沉降槽曲线与Peck沉降槽曲线基本吻合，均为单峰的V型曲线。最大沉降发生在新隧道中心正上方处的地表，且随着两隧道净距的增大，地表横向沉降最大值逐渐减小，尤其当净距大于1D时的沉降值与净距小于1D时的相比，减小比较明显。图2地表横向沉降曲线2.2对既有隧道变形的影响新隧道开挖完成后，老隧道计算断面的变形如图3所示。图3老隧道横断面变形图6从图中可以看出，当两隧道净距小于1.0D时，随着新隧道的推进，老隧道产生朝向新隧道的斜向上的位移，且上下有一定程度的压扁。当净距大于1.0D时，随着新隧道的推

6、进，老隧道产生朝向新隧道的斜向下的位移。随着净距的增大，老隧道的相对位移量减小，即老隧道断面的变形比较均匀，这对于减小因不均匀变形而产生的内力是有利的。此外还能看出，随着两隧道净距的增大，老隧道最大位移发生的位置以及位移量值的大小都发生了变化：最大位移发生的位置有逐渐远离新隧道的趋势，最大位移的值也相应减小。2.3对既有隧道弯矩的影响新隧道推进过程中，老隧道横断面上的弯矩值也动态变化着。不同净距时的弯矩值变化如图4所示。图4老隧道横截面弯矩随新隧道推进的变化随着新隧道的动态推进，老隧道计算断面上的弯矩值

7、变化的总体趋势是先逐步减小，然后有个剧烈的变化，之后又逐步减小直至趋于稳定。前6个开挖步，弯矩值变化不是很明显；第6至8个开挖步（新隧道掌子面位于中点前2D至1D时），弯矩减小比较明显；第8至12个开挖步（掌子面位于中点前后1D距离时），弯矩急剧增大；第12至14个开挖步（新隧道掌子面位于中点后1D至2D距离时），弯矩明显减小；随后弯矩稳步减小，直至稳定。6随着隧道净距的增大，老隧道横断面弯矩值减小，且在剧烈变化段，其变化幅度也越来越缓和。从这一方面来说，工程中在条件允许情况下适当增大平行隧道净距是很有

8、必要的。2.4对既有隧道轴力的影响老隧道计算断面轴力随新隧道推进过程的变化如图5所示。图5老隧道横截面轴力随新隧道推进的变化老隧道计算断面上轴力的变化规律与弯矩的类似，也是先逐步减小，然后经历一个剧烈变化过程，随后再逐步减小直至稳定。具体说来，前8个开挖步轴力小幅减小；第8至12个开挖步，由于新隧道掌子面距离计算断面近，故对老隧道轴力的影响很大，从图中也可明显看出，在此阶段老隧道计算断面上的管片轴力值急剧增大；第12个开挖步之后，轴力值逐步