双圆盾构隧道地表变形有限元分析模型与计算

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1、双圆盾构隧道地表变形有限元分析模型与计算【】本文以双圆盾构隧道施工数值模拟及数据分析作为主要内容，利用PLAXIS－3D－TUNNEL三维模拟了双圆盾构隧道开挖动态过程，对工程具有实际指导意义。　　【关键词】双圆盾构隧道；变形；有限元分析　　SurfacedeformationfiniteelementanalysisandcalculationforDouble-CircleShieldTunnel　　HongHao-quan,LiDe-fa　　(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJi

2、aotongUniversityLanzhouGansu730070;　　2.TheSecondBranchofChinaRailericalsimulationandanalysisofdataofthedouble-circleshieldtunnel，ensionalsimulationofthedoublecircularTUNNELexcavationdynamicprocess,areofpracticalguidingsignificancetoengineering.　　【Keyation;Finiteelem

3、entanalysis　　　　　　1.绪论　　二十世纪30年代后，由于计算机的迅速应用与普及，以有限元为代表的数值分析法得到了广泛的应用，已经渗透到科学与工程技术研究的各个领域。60年代中期，随着数字电子计算机的更新和岩土体本构定律研究的进展，地下结构分析方法进入了数值分析时期。　　目前在岩土地下结构分析中数值模拟方法主要有：有限元法(FiniteElementMethod)、拉格朗日有限差分法、离散元法（DiscreteElementMethod）等。其中有限元又分为线弹性、非线性弹性、弹塑性、粘弹性等几种。　　PLA

4、XIS-3D-TUNNEL是目前国际唯一专业针对隧道模型而编写的有限元软件，模型建立简单，对于椭圆形隧道也设计了专门的程序，便于应用，其它软件对椭圆形隧道较难建立，因此有好多研究者都只把隧道考虑成圆形隧道，这不是很科学的。且其计算时间较短，以读者所计算的模型6000多单元，一次开挖步可在十几分钟内计算成功，这是其它软件所达不到的，还可以模拟开挖步骤，分析应力、应变，最后出图也方便，可以出云图、等值线图、各结点的应力与应变值等。　　由于双圆盾构隧道在开挖过程的影响因素较为复杂，施工地区的岩土介质条件以及周边环境等因素都会影响地表沉

5、降，用一个研究方式概括地铁隧道的沉降会显得有些单一，在以后的研究中应根据场地地质参数以及施工概况进行其它方法的起一步验证。本文以双圆盾构隧道施工数值模拟及数据分析作为主要内容，利用PLAXIS－3D－TUNNEL三维模拟了双圆盾构隧道开挖动态过程，模拟计算不同围岩参数的工况情况的地表沉降值，建立地表沉降曲线，对工程具有实际指导意义。　　　　2.隧道开挖过程有限元理论分析　　隧道开挖过程的应力与变形的有限元分析不同于其它的有限元分析理论。其主要表现在隧道开挖过程中分析对象几何模型是随着开挖进度不断变化的，且因被开挖掉的土体在开挖

6、前即有初始应力，因而，在开挖掉的这部分土体后，不仅分析对象的几何尺寸一直在变化，还有剩余部分的结构应力和变形也在变化。关键点是运用有限元来模拟开挖不同阶段的特点，进而使被开挖的部分应力完全消失，使其应力变成一个自由面。而有限元分析可以很好地模拟隧道开挖这一过程，因而是一种很好的分析方法。　　2.1初始应力场的计算分析。　　在模拟隧道开挖计算过程中，其初始地应力场是为随后迭代计算作充分准备的，所以只有在使用和实际近似的初始地应力场，才能够求出正确的结果。初始地应力主要是指沿隧道开挖之前的隧道地层的地应力场。初始地应力场是岩土工程设

7、计中重要因素之一，初始地应力是土体自重应力与地面超载作用引起的。当软土地层中不存在超载的因素时，它的初始应力场也可以看着是岩土体自重产生的应力场［38］。由于土体在天然情况下已经历了长时期的固结沉降，因而通常认为天然土体已达到一种稳定状态，因此其初始位移可以假设是零。而二次位移场就可以看着是因开挖隧道而引起的位移场。初始地应力场的获得目前主要有两种方法。第一种方法是据现场的变形实测值再来运用反分析来求出。另一方法是据现场测得的一些特征点的地应力值，再来运用回归法来求出。　　2.2开挖单元与结点的处理。　　有限元在模拟隧道开挖过程

8、时，关键是让开挖面上的应力得以解除，变成一个应力自由面。为了分析这个自由面，所以在每步开挖之前需要先根据开挖之前的应力值分析求出其剩下岩土体V2对即将开挖的岩土体V1所作用的结点力{F}，在开挖之后将{F}反向作用在开挖面的结点之上，并使开挖去掉的