地铁荷载作用下隧道土体变形的数值模拟

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1、天津城市建设学院学报第l8卷第2期2012年6月JournalofTianjinInstituteofUrbanConstructionVo1．18No．2Jun．2012地铁荷载作用下隧道土体变形的数值模拟孟光，张建新a,b伍廷亮(天津城市建设学院a．土木工程学院；b．天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津300384)摘要：天津市区地铁隧道一般埋设于第一海相软土层中，目前针对这一海相软土层在地铁荷载下隧道周围土体变形的研究较少．本文利用ABAQUS有限元软件，模拟地铁运行荷载，对比分析隧道周

2、围土体在竖向和水平方向上距隧道不同距离处土体的变形，结果表明：土体变形较大的区域主要集中在以隧道轴线为中心的10m范围内，工程建设时对此区域土体要重点关注；而在30m以外区域土体变形较小．分析结果为以后在现有地铁隧道沿线建设地下构筑物时提供了有价值的参考．关键词：地铁振动荷载；隧道；土体变形；数值模拟中图分类号：U452文献标志码：A文章编号：1006．6853(2012)02．0103．05近年来，随着国民经济的迅速发展，城市化进程动力有限元计算可以满足所要求的计算精度范引，不断加快，我国轨道交

3、通也得到了迅猛的发展．以城故采用二维平面应变动力有限元进行模拟计算．因地市地铁为代表的轨道交通的发展给人们的生活带来铁振动模型符合正对称条件，根据结构力学对称原了极大的方便，但同时也产生了一些负面的影响，其理，取模型的一半进行有限元分析．中地铁运行时由列车振动诱发的相关问题尤为突模拟计算范围：水平方向取60m，竖向计算深出．在天津软黏土地区地铁运营过程中，地铁列车振度取80m．土层和衬砌用平面应变四边形单元模拟，动荷载对隧道周围土体的影响导致隧道周围土体的基底为固定约束，左右两侧施加水平方向约束，

4、顶部变形，进而影响到地铁隧道轴线变形，地面沉降增加．采用自由边界条件L3J，边界条件和衬砌位置见图1．有本文基于ABAQUS软件建立有限元模型，模拟限元网格的划分见图2．根据一般经验，网格划分的地铁振动荷载对隧道周围土体的影响，对不同深度范大小应该小于振动波长的1／8，以便保证计算的精围内土体的变形进行了对比，为地铁工程的设计及安度I4J．城市地铁的列车频率一般集中在10～80Hz，全运营提供参考．1数值模型的建立1．1计算模型天津地铁2号线全长22．5km，其中地下线20-3km，隧道中心大部分

5、区段埋深L=15m，地铁隧道半径一般R=3．1m，衬砌内径=2．75m．采用Mohr—Coulomb模型，NewmarkIll隐式时间积分法计算地铁荷载作用下隧道土体的变形．严格地说，分析地铁列车运行振动对周围土体的影响图1边界约束和衬砌是一个三维空间问题，但在工程设计分析时二维平面收稿日期：2012—02—27：修订日期：2012．03—3O作者简介：孟光(1987一)，男，山东滨州人，天津城市建设学院硕士生天津城市建设学院学报孟光等：地铁荷载作用下隧道土体变形的数值模拟·105·穿越的土层情况

6、，行车荷载影响范围内的地层主要为第四系全新统中组海相沉积层(Q4m)、第四系全新统下组沼泽相冲积层(Q4h)、第四系全新统下组陆①相冲积层(Oa1)及第四系上更新统第五组陆相冲积层(Q3。a1)．由于实际工程中的土层十分复杂，所图5荷载施加的部位以要做到完全的模拟比较困难，因此需对土层进行1．3计算参数的确定相应的简化，简化后的土层参数见表1．衬砌参数见根据天津地区软土地质特点及本文所研究隧道表2．表1土体物理力学性能指标土层弹性模量／MPa重度／kN·m。泊松比摩擦角／(。)黏聚力c／kPa深度

7、／m14-2418．800-318．5O13．6OO～826．2919．200．315．9O11．208～17313．08l9-300-3l7l301O．5017～26417．2719．500．320．6012．7026～40518．5319．600．322．5014．5040～80表2衬砌参数指标衬砌堂丝堡重!重度／kN·m。I泊松比摩擦角／(。)黏聚力c／kPa0阻0尼比矗混凝土29．422．5410．26029．60．05起了隧道周围地层的振动，诱发土体变形．在竖直方2土体变形模拟分析向上距

8、离隧道底部3、5、l0、20m处，土体竖向位移变形如图6所示．2．1土体竖向变形分析地铁列车振动荷载由隧道衬砌结构传给地层弓(a)3m(b)5m图6距隧道底部不同距离处土层竖向位移曲线·106·天津城市建设学院学报2012年第18卷第2期由图6a可知：距隧道底部3m处土层竖向位移道底部20m左右处变形基本稳定．这是因为在地铁最大值为6．7mm．最大值左侧土体，在两条对开地荷载作用下，由于土体是典型的非线性材料及振动波铁影响下位移比较大，且衰减较小；其右侧土体随着在土体中的传播规律，