盾构开挖有限元三维模拟实验.pdf

《盾构开挖有限元三维模拟实验.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、科技信息职教与成教盾构开挖有限元三维模拟实验温州职业技术学院卢声亮［摘要］盾构技术在地铁开挖工程中有广泛应用，土体开挖引起地表沉降，影响到隧道本身及地表建筑物的正常使用及安全。利用大型通用有限元软件Abaqus，综合考虑各种复杂影响因素，建立盾构隧道三维开挖有限元模型，对盾构隧道动态开挖过程进行精细模拟，得出盾构开挖时土体位移沉降规律，讨论盾后注浆压力及支护压力模拟取值变化对地表最大沉降(隆起)的影响。研究的结论具有重要的理论价值和工程实际意义。［关键词］盾构有限元三维三维有限元分析已广泛用于盾构隧道开挖模拟，它

2、能够反映盾构征，从而使开挖面上的应力完全解除，成为应力自由面。隧道施工引起地层位移的空间性状，能够综合反映隧道的施工过程，但2.2.1计算初始平衡由于盾构施工过程复杂且存在众多不确定因素，土体分层、材料的非线初始位移假设为零，初始应力场为土体自重应力场。给土体单元施性、盾构密封舱内土压力、地下水、盾尾建筑空隙、盾构壁后同步注浆等加自重作用下的有效应力场，同时给土体单元加上自重荷载，土体这时很难精确考虑，同时结构与土之间的接触问题涉及较少，仍然是一个需处于平衡状态,获得10-3m数量级的初始位移，认为此状态作可以做

3、为要深入研究的课题。隧道开挖的初始状态。1.工程概况2.2.2土体开挖盾构隧道的横截面形状为圆形，隧道是由预制钢筋混凝土管片将盾构推进作为一个非连续的过程来研究，假设盾构是一步一步拼装而成的环形单层衬砌结构。环形衬砌外径为4.8m，厚度为0.3m，宽跳跃式向前推进，每次向前推进的长度(纵向)为一个衬砌单元宽度。所度为0.9m。衬砌环由5标准块和一块拱底块构成。隧道顶部距地表以本文假定土体每一次开挖向前推进0.9米。在开挖土体单元面上施加9.6m。基岩以上土层有三种，从地表往下及厚度分别是土层1(8m)、土层2均布

4、荷载（0.15MPa）模拟开外面的支护压力。利用土体释放一部分结点(8m)、土层3(16m)。各土层Duncan-Chang本构参数见表1，其中γ的反力来模拟衬砌脱出盾尾后周边土体瞬间无支护的状态，本文对结点密度单位为kN/m3。混凝土衬砌结构采用线弹性模型，设计基本强度反向荷载的释放分为3步，先释放0.25，再释放0.25，最后释放0.5，以为σ=42N/mm2，弹性模量为3.25MPa，本文利用均质圆环模拟隧道衬ck重新计算结构的不平衡力系。利用单元生死技术，生成衬砌单元，形成土砌，而实际隧道衬砌之间由接头拼

5、装而成，为考虑这一部分对刚度的影体与衬砌相互作用体系，最后将平衡反力释放到零。背后注浆采用等效响，对衬砌弹性模量进行折减取2.64MPa，泊松比为0.167，重度为均布力法，取值0.05MPa进行模拟。以上三个步骤相当于完成了一次开26kN/m3。地下水位离地面2m处，采用水土合算处理。挖，重复以上步骤对盾构隧道推进进行模拟，直到地表沉降值趋于稳定。表1土层材料参数3.有限元计算结果分析土层cφ3.1土体最终沉降位移分析位置γ(KPa)(°)RfKnKbmGmax盾构经过24个开挖步，取如图2所示中的地表面，垂直

6、隧道方向的外表面以及沿着隧道方向的外表面做竖直方向最终沉降位移分析，土层118.515190.9110.70.7599.60.682.47×107分别见图2(B)，2(A)，2(C)所示(单位：m)。土层21813190.98155.70.71140.30.643.1×107土层3193225.80.87110.70.6588.60.521.21×1082.有限元精细模拟2.1模型建立计算区域取48m，深度方向取土层实际厚度32m，轴向方向取100m，模型取半边结构。模型边界条件如下：沿隧道轴线方向，对模型前后两

7、面边界结点施加轴向方向的水平约束；对称面上的结点施加垂直方向的水平约束；在模型的右边界，施加垂直方向的水平约束；对模型底面结点，施加垂直图2最终位移沉方向的竖向约束。有图2(B)可知，隧道开挖对地表沉降影响的最大值为42.59mm；在土体单元用三维8结点减缩单元，衬砌单元用三维厚壳单元，衬砌隧道施工前方，土体会有少量隆起，其最大值为4.319mm。隧道开挖后和周围土体之间接触应力和相对位移用主从接触面模型模拟。对隧道方土体是卸载区，开挖面前方土体受到扰动引起应力释放，这时近距离周围土体的网格单元加密，远离隧道洞室

8、土体的网格逐渐增大，做到既处在支护压力的作用下保持平衡。但在实际工程中，支护压力的取值不满足研究需要又节省运算时间。采用手动网格划分，共有15783个结可能与前方土体压力完全相同。如果压力稍大就会导致前方土体隆起，点，12642个单元,模型如图1所示。因为盾构前行，向前的土体在开挖面前方产生堆积，刀盘阻止该部分土体向隧道内变形，造成地面隆起。而这种隆起，最终会使隧道的沉降