高水压盾构隧道围岩应力及位移数值分析.pdf

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1、２０１７年第１７期（总第２１８期）江西建材交通工程高水压盾构隧道围岩应力及位移数值分析■赵振东■中铁十四局集团有限公司，山东济南７３００７０摘要：以兰州轨道交通１号线一期工程穿黄盾构隧道施工为背景，针对高水压表２材料力学参数盾构隧道建立有限元模型并进行了数值计算和分析。结果表明：考虑渗材料名称类型本构模型泊松比材料厚度流的影响，两边墙外围的最大主应力和最小主应力的范围都有所扩大；管片Ｃ５５混凝土弹性０２０３５同时围岩也产生了很大的变形，但是变化趋势以及规律没有太大的变化，在洞室的顶部以及底部位移达到了最大值。盾壳钢材弹性０２０１关键词

2、：轨道交通盾构隧道数值分析位移整个模型共划分了６５４８０个单元，６２８９４个节点。计算模拟的边界条件：在计算中，约束模型左右边界Ｘ方向的位移，约束模型前后边界随着城市经济的快速发展，城市轨道交通的发展也越来越快，大量Ｙ方向的位移，约束模型底部边界Ｚ方向的位移。由于在穿黄地铁中，［１，２］城市地铁的建设离不开盾构法施工。盾构法是一种全机械化的施计算模型顶部有黄河水流过，取常年黄河平均水位３ｍ，则在模型顶部工方法，属于暗挖法施工的一种类型，其通过盾构机械在地下不断地进施加相应法向应力，来模拟３ｍ水深产生的静水压力。行推进，并通过盾构外壳和管片支承

3、四周围岩防止发生往隧道内的坍渗流边界条件：在ＧＴＳ中，所有的边界均默认为不透水边界。计算塌。同时在开挖的接触面不断的用切削土体的装置进行开挖作业，同三维有限元模型见图１所示。时运出洞外，与千斤顶相连对其加压，并在施工作业的过程中将混凝土４结果分析［３］管片预制成型。避免了明挖方式对隧道建设中各种不利的影响。４．１围岩应力分析因此在建设隧道时，?用盾构法可以改善城市中各种公用设施，取得良在对围岩应力的计算和分析中，［４］好的经济以及社会效益。另外，盾构法在修建公路、铁路所需要穿对渗流－应力耦合的情况与不耦合的越地质情况比较复杂的隧道时，在经济合

4、理性以及技术创新性方面具情况分别进行了计算和分析。两种情［５，６］有很大的优势。况下的大、小主应力云图如图２－图５１工程背景所示。兰州市城市轨道交通１号线中的世纪大道站在风井区间施工中采在开挖以及支护完成之后，对围图１有限元计算模型用了１台Φ６４９ｍ土压盾构机。中间风井于黄河东北岸临近大堤处设计一风井（联络通道水泵房和设）里程ＹＣＫ１０＋９００００。世纪大道站～风井区间右线为ＹＣＫ１０＋９００００～ＹＣＫ１２＋０２８０９７，长１１２８０９７ｍ。左线为ＺＣＫ１０＋９０００～ＺＣＫ１２＋０２８０９７（长链１３６０４ｍｍ），长１１４

5、１７０１ｍ。区间隧道左线右线间距约９米。区间隧道最大纵坡坡度２７‰，隧道埋深为１０４米～４０４米，最小平面曲线半径４５０ｍ。２工程地质和水文地质条件世纪大道站～中间风井区间隧道穿越地层大部分为各种不同类型的卵石层，其中各层特征及描述如下：２－１０卵石层：杂色、青灰色。局部夹有薄层或透镜状砂层，广泛分布于河漫滩上部和安宁区二级阶地黄土状土之下。３－１１卵石层：灰黄色、青灰色，饱和，局部夹有薄层或图２最大主应力图（不耦合）透镜状砂层，广泛分布于河漫滩及安宁区二级阶地下部。本工程赋存一层地下水，地下水类型为潜水。其详细情况如下：潜水：水位标高

6、为１５２２，１７ｍ～１５３４１０ｍ，水位埋深为３１２～１１６５ｍ，含水层为２－１０－３卵石层、２－１０－４卵石层、３－１１卵石层，该层地下水分布较为连续，其来源主要由大气降水、黄河水补给以及地表水入渗组成。３建立模型根据现场的工程地质条件和进行有限元模拟分析的需要，建立计算模型尺寸如图所示，盾构开挖直径为６４８ｍ，根据圣维南原理将模型的横向长度取为９０ｍ，根据实际的地质资料，取地质勘探中Ｃ１Ｚ－１００号桩孔的位置，隧道埋深２０ｍ，取竖向高度５４ｍ，在隧道纵向，考虑盾构图３最大主应力图（耦合）掘进４０个工作循环时的掘进长度，每工作循环开

7、挖１２米，及４８米，岩的应力状态进行分析。从图中可以看出，围岩的主应力方向随着隧整个模型尺寸为９０ｍ×４８ｍ×５４ｍ。道开挖发生了变化，逐渐形成了二次应力场。当在渗流条件下施工时，在三维有限元模拟中，围岩和注浆圈均采用实体单元模拟，通过修隧道边墙外围的最大主应力和最小主应力的范围都有所增加，在隧底改单元属性的办法，来模拟完成不同阶段的注浆硬化过程。衬砌管片处的最大主应力的拉力值也有所增大。和盾构机外壳采用线弹性模型的板结构单元模拟，其中管片采用Ｃ５０在不耦合情况下，在仰拱端部的应力较为集中；与耦合情况下相混凝土，盾构机外壳取用钢材的材料参数

8、，具体参数情况见表１－表２。比，其剪应力的分布范围要小，但应力集中的范围大。表１围岩力学参数４．２围岩位移特征分析编号深度类型密度／ｇ／ｃｍ３粘结力／ＫＰａ摩擦角对