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隧道盾構施工的三維有限元分析

發表時間:2022-04-05 22:08 閱讀:
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      隨著我國城市化進程的飛速發展,地鐵建設項目的數量、規模及對地下空間開發利用的需求不斷加大,而受某些特定因素的限制,在同一區域內地鐵隧道相互穿越的的情況逐漸增多。其中某些新建隧道與既有隧道交叉段距離較近,對既有隧道安全構成較大的威脅,同時也增加了新建隧道的施工難度。大量的地鐵隧道工程實踐表明,隧道施工勢必會引起地層變形。對于交叉隧道來說,新建隧道的開挖是發生在既有隧道施工后的,等于對土體進行了二次擾動,引起復雜的應力重分布,這就對新建隧道提出了更高的設計和施工質量要求。
      針對交叉隧道開挖對既有線隧道影響的問題,國內外學者開展的研究較少。之前開展的研究大多是針對平行隧道以及上下重疊隧道,取得了較大成果。本文運用Midas/GTS有限元分析軟件,對天津地鐵4號線隧道開挖對下部天津地鐵3號線交叉區間隧道影響進行三維模擬,模擬隧道開挖過程,研究4號線隧道開挖施工過程中上部地表和下部3號線隧道的力學規律。
      天津地鐵4號線盾構區間在CK22+850.0處上穿既有3號線盾構區間結構,隧道頂部距離3號線區間結構豎向凈距約1.2m,兩地鐵線交角約為87°。新老隧道的外徑均為6.2m,管片厚度均為350 mm。新建4號線隧道左、右線凈距10.8 m,交叉段4號線隧道埋深5.1m。既有地鐵3號線隧道左右線凈距8.8 m,交叉段3號線隧道埋深12.5m。交叉段上部地面為大沽北路。3號線與4號線隧道交叉段的位置關系見圖。
      采用巖土與隧道領域專用分析軟件Midas/GTS,根據工程實際情況,建立有限元計算模型,根據其破裂面的影響范圍,沿地鐵4號線隧道方向取57 m,沿地鐵3號線隧道方向取51m,上下高度取50m。模型共51785個單元。
      土體選用Mohr-Coulomb屈服準則,該準則能反映土體的抗壓強度不同的S-D效應(Strength Difference Effect)與對靜水壓力的敏感性,而且簡單實用,土體參數c、準值可以通過各種不同的常規試驗測定。因此,較其他準則具有較好的可比性,在工程實踐中有著重要的作用和地位,得到了廣泛的應用。隧道盾構管片采用板單元模擬。管片采用C50混凝土,其材料物理力學指標見表。
      有限元計算模型見圖。土體和隧道結構選用四節點三維實體單元,首先建立初始自重應力場,計算模型中第一階段為開挖的初始階段,計算出土體在自重的作用下的位移場和應力場,通過Midas/GTS的位移清零功能消除已經完成的沉降位移并構造初始應力場。模型側面和地面為位移邊界,側面限制水平位移,地面限制豎向位移,上表面取自由邊界。
      對計算模型進行隧道開挖模擬時,首先對左線隧道進行開挖,然后對右線隧道進行開挖,開挖每完成一步后施加一次隧道管片。土體開挖和管片施作通過鈍化和激活單元實現。
      通過對隧道開挖過程的有限元分析,研究地鐵4號線隧道開挖施工過程中地表和地鐵3號線隧道區間的變形及應力變化,評價地鐵3號線的正常運營及結構安全。
      左線和右線隧道開挖完成后,地表土體的位移見圖5。從計算結果可以得出,在4號線隧道開挖過程中,地表沿隧道開挖方向發生沉降,形成一個沉降槽。右線開挖完成后的沉降值大于左線開挖完成后的沉降值。左線隧道開挖完成時,位移最大值出現在左線盾構區間大約40 m位置對應的地表部位,最大沉降量為3.18cm;右線隧道開挖完成時,位移最大值同樣出現在右線盾構區間大約40m位置對應的地表部位,最大位移值為3.41 cm。


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