浅埋盾构隧道地层变形数值模拟分析

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1、浅埋盾构隧道地层变形数值模拟分析1.石家庄经济学院河北石家庄050031；2•南京坤拓土木工程科技有限公司江苏南京210000摘要：经过多年的发展，我国盾构法施工技术已趋于成熟并在城市地铁隧道中得到了广泛应用，由于地铁隧道多位于城市中心区域、人口众多、建筑物及市政管线密集分布，隧道埋置深度一般较浅，对地层和隧道结构的变形有着较高要求，有必要对浅埋隧道施工引起的地层变形特性进行研究。木文以石家庄地铁1号线为依托，运用数值模拟的方法对拱顶沉降、隧底隆起和隧道水平收敛进行了研究，总结了浅埋盾构隧道施工引起地层变形分布规律和变形特性，对其他地

2、铁线路的设计和施工有一定的借鉴意义。关键词：盾构法；浅埋隧道；数值模拟；地层变形1引言随着经济的不断发展和城市化水平的不断提高，城市道路交通压力日益增大，交通拥堵成为城市发展过程中迫切需要解决的问题之一，为解决这一问题，我国在多个城市进行了地铁隧道的建设。盾构法是一种较为先进的隧道施工方法,经过多年的发展，在我国已经得到了广泛的应用，盾构隧道施工一般是超挖进行的，隧道管片之间存在一定的缝隙，尽管施工中采取同步注浆和二次注浆措施来填补这一缝隙，但仍会造成地层的损失，引起围岩的变形和地面沉降。由于地铁隧道多在城市中修建，人口众多、建筑物密

3、集分布，对地层变形有着较为严格的要求，有必要对盾构隧道施工引起的地层变形规律进行研究。木文以石家庄地铁1号线体北区间为依托，运用数值模拟的方法，对浅埋盾构隧道施工引起的隧道水平收敛、拱顶沉降和地表沉降进行了硏究，得出了围岩地层水平位移和土层沉降的分布特征和变形特点，对盾构隧道的设计和施工有一定的借鉴意义。2工程概况体育场〜北宋站区间以体育场站为起点，由西向东沿中山东路敷设，至北宋站为终点，线路总长度936.54m,线路纵向坡度呈“V”字型坡，区间覆土厚度约9.2〜13.1m,区间环境风险有民心河及跨河桥、DN1500×15

4、00雨水方沟，采用盾构法进行施工，衬砌为C50混凝土管片，采取错缝拼装。拟建工程场地位于太行山南段山前平原区，地形开阔平坦，地势总体上由西向东缓倾，地层主要为淖沱河冲洪积形成的第四季沉积物，具典型的多沉积旋冋的特征。根据地层沉积年代、成因类型划分为人工堆积层（Qml）、新近沉积层（Q4al）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）四大层。本场地赋存一层地下水，类型为潜水，埋深大于45m,含水层为卵石层。3浅埋盾构隧道施工的数值模拟3.1几何模型的建立根据圣维南原理，隧道开挖会引起洞径3〜5倍范

5、围内应力重分布，故选取几何模型宽度为20m＞高度为30rm隧道边界条件为标准固定边界，在左、右边界限制其水平位移，下边界限制其竖直位移，上边界为自由边界，不限定其位移。网格在隧道附近划分较细，在模型的边界则划分较粗，本次模拟共生成1780个节点、5652个网格。衬砌采用具有一定轴向刚度和抗弯刚度的板模拟，各参数值根据相关隧道设计规范进行赋值。3.2施工过程的模拟浅埋盾构隧道的施工分为三个步骤进行模拟:首先，开挖掉隧道内土体,冻结对应的土层；然后，激活衬砌板单元和界面单元；最后，由于盾构隧道开挖多为超挖前进，衬砌与围岩不能紧密连接，存在

6、一定的缝隙，尽管施工中多采取措施来消除这一缝隙，但仍存在地层的损失，本例中对衬砌采取2%收缩量来进行模拟。3.3数值模拟计算结果浅埋盾构隧道施工完成时地层位移云图如图3.1所示，从图中可以看出,当隧道开挖完成时，由于上部土体的卸荷作用，导致隧底土层的隆起，而隧道拱顶区域上体则因超挖现象下沉，隆起量和沉降量则分别在隧道底部和拱顶部位最大,分别为25.10mm和-19.78mm,并随着与隧道距离的增加而逐渐减小,影响范围为深度25m,宽度20m；隧道水平收敛在拱脚部位最人，拱顶和隧底处最小，最大值为17mmo盾构隧道施工完成时地表沉降量如

7、图3.2所示，其中横坐标为与模型中线的距离(m),纵坐标为沉降量(mm),从图中可以看出，地表沉降槽曲线形态上为一对称的、近似正态分布的曲线，距离隧道较近部位坡度较陡，沉降量较大，较远部位沉降量则相对较小，沉降槽宽度约为30m,最大沉降量＞9-6.14mmo4结论文章通过有限元分析的方法，对石家庄地铁1号线体〜北区间浅埋盾构隧道施工过程进行了模拟，并对施工结束吋围岩的竖向位移、隧道水平收敛和地表沉降进行了分析，研究了施工引起的围岩土体的变形特性，特出了以下结论:(1)浅埋盾构隧道施工会引起隧道跨径3〜5倍范围内围岩应力、应变的重分布，

8、符合圣维南原理。(2)施工完成吋，地层变形可以分为三个部分，隧道拱顶及以上区域以地层沉降为主，在施工中宜采取超前小导管注浆和大管棚支护等措施对地面沉降进行控制；当隧道穿越土层上便下软时，隧底往往会产生较大隆起，可以通过加