案例2華聯(lián)超市盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程變形分析

1、案例案例2 華聯(lián)超市盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程變形分析華聯(lián)超市盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程變形分析v中科院計(jì)算技術(shù)研究所中科院計(jì)算技術(shù)研究所盾構(gòu)數(shù)值模擬幾個(gè)關(guān)鍵問題v (1)數(shù)值模擬中開挖時(shí)間步處理數(shù)值模擬中開挖時(shí)間步處理 隧道施工中盾構(gòu)機(jī)漸進(jìn)向前推進(jìn)，周圍的土體則是相對(duì)隧道施工中盾構(gòu)機(jī)漸進(jìn)向前推進(jìn)，周圍的土體則是相對(duì)靜止的。有限元法難以做到完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進(jìn)過程，靜止的。有限元法難以做到完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進(jìn)過程，必須一定的簡(jiǎn)化，通常將盾構(gòu)推進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)的過程來必須一定的簡(jiǎn)化，通常將盾構(gòu)推進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)的過程來研究。假設(shè)盾構(gòu)一步步跳躍式的向前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)的研究。假設(shè)盾構(gòu)一步步跳躍式的向前推

2、進(jìn)，每次向前推進(jìn)的長(zhǎng)度恰好為一個(gè)襯砌單元寬度。長(zhǎng)度恰好為一個(gè)襯砌單元寬度。盾構(gòu)數(shù)值模擬幾個(gè)關(guān)鍵問題v (2)應(yīng)力釋放系數(shù)應(yīng)力釋放系數(shù) 在在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，為了減小盾構(gòu)機(jī)的摩阻力以使盾構(gòu)機(jī)能盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，為了減小盾構(gòu)機(jī)的摩阻力以使盾構(gòu)機(jī)能夠順利前行，盾構(gòu)的刀盤外徑大于盾構(gòu)機(jī)的外徑，從而在盾夠順利前行，盾構(gòu)的刀盤外徑大于盾構(gòu)機(jī)的外徑，從而在盾構(gòu)機(jī)外圍產(chǎn)生一定厚度的間隙。盾構(gòu)機(jī)盾尾的空隙主要由三構(gòu)機(jī)外圍產(chǎn)生一定厚度的間隙。盾構(gòu)機(jī)盾尾的空隙主要由三個(gè)部分組成：一部分是盾構(gòu)殼厚所占的體積；一部分是為了個(gè)部分組成：一部分是盾構(gòu)殼厚所占的體積；一部分是為了方便襯砌組裝而預(yù)留的操作間隙；一部分是刀盤超開挖間隙。方便

3、襯砌組裝而預(yù)留的操作間隙；一部分是刀盤超開挖間隙。參考相關(guān)文獻(xiàn)并考慮工程實(shí)際情況，通過考慮開挖后隧道應(yīng)參考相關(guān)文獻(xiàn)并考慮工程實(shí)際情況，通過考慮開挖后隧道應(yīng)力釋放來模擬空隙對(duì)沉降的影響，應(yīng)力釋放率取力釋放來模擬空隙對(duì)沉降的影響，應(yīng)力釋放率取80%。盾構(gòu)數(shù)值模擬幾個(gè)關(guān)鍵問題v (3)管片接頭剛度管片接頭剛度 二號(hào)線采用土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)管片的拼接方式采用的二號(hào)線采用土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)管片的拼接方式采用的是錯(cuò)縫拼接方式，縱向的剛度較大，因此不考慮管片接頭及是錯(cuò)縫拼接方式，縱向的剛度較大，因此不考慮管片接頭及錯(cuò)縫拼裝方式對(duì)襯砌整體剛度的影響。錯(cuò)縫拼裝方式對(duì)襯砌整體剛度的影響。盾構(gòu)數(shù)值模擬幾個(gè)關(guān)鍵問題v

4、 (4)注漿層的考慮注漿層的考慮為減小因空隙引起的圍巖變形，在盾尾脫離前，土體向盾為減小因空隙引起的圍巖變形，在盾尾脫離前，土體向盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)向盾尾空隙注混凝土漿體，數(shù)值模擬時(shí)，為考構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)向盾尾空隙注混凝土漿體，數(shù)值模擬時(shí)，為考慮注漿層的影響，在襯砌的外層建立了一層注漿層。慮注漿層的影響，在襯砌的外層建立了一層注漿層。盾構(gòu)數(shù)值模擬幾個(gè)關(guān)鍵問題v (5)盾構(gòu)施工影響半徑盾構(gòu)施工影響半徑 隧道隧道開挖的影響半徑一般是隧道直徑的開挖的影響半徑一般是隧道直徑的35倍半徑，在選倍半徑，在選取模型邊界時(shí)，盾構(gòu)隧道的左右邊界取的都是隧道邊線加取模型邊界時(shí)，盾構(gòu)隧道的左右邊界取的都是隧道邊線加5倍倍的

5、開挖直徑，下邊界取的也是隧道邊線加的開挖直徑，下邊界取的也是隧道邊線加5倍開挖直徑，模型倍開挖直徑，模型的上邊界取的是地表面。的上邊界取的是地表面。工程概況v 該盾構(gòu)該盾構(gòu)區(qū)間隧道采用雙孔盾構(gòu)法由西向東鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)區(qū)間隧道采用雙孔盾構(gòu)法由西向東鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)半徑外徑半徑外徑3.0米，內(nèi)徑米，內(nèi)徑2.6米，鉆進(jìn)斷面基本位于中等風(fēng)化泥米，鉆進(jìn)斷面基本位于中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中。質(zhì)砂巖中。隧道掘進(jìn)方向左線隧道右線隧道YSK23+584.917車站起點(diǎn)里程北京華聯(lián)117.66.06.46.0工程概況v 隧道右道下穿地下室疏散出口，北京華聯(lián)長(zhǎng)江路店為筏板隧道右道下穿地下室疏散出口，北京華聯(lián)長(zhǎng)江路店為筏板基

6、礎(chǔ)，最小豎向凈距約為基礎(chǔ)，最小豎向凈距約為5.5m。隧道與建筑物相對(duì)位置關(guān)。隧道與建筑物相對(duì)位置關(guān)系系如下圖如下圖地層信息v 基坑擬建場(chǎng)區(qū)存在的特殊性巖土主要包括填土、基坑擬建場(chǎng)區(qū)存在的特殊性巖土主要包括填土、黏土黏土、粉粉土土和和強(qiáng)強(qiáng)風(fēng)化風(fēng)化砂砂巖。巖。各土層參數(shù)如下：各土層參數(shù)如下：地質(zhì)名稱變形模量/MPa彈性模量/Mpa天然重度/KN/m3粘聚力CKPa內(nèi)摩擦角/ 備注人工填筑土4.4-18.51612隧道埋深是11.7m，主要穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖可塑狀黏土10.2-19.95520粉土20.3-202317粉土45.0-2112025強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 180022.814030地層建模v

7、數(shù)值模型通過數(shù)值模型通過ABAQUS有限元軟件輔助建立計(jì)算網(wǎng)格模型有限元軟件輔助建立計(jì)算網(wǎng)格模型，導(dǎo)入到，導(dǎo)入到FLAC3D中，建立的中，建立的3D網(wǎng)格模型如網(wǎng)格模型如下圖。其中，下圖。其中，建筑基礎(chǔ)用實(shí)體單元模擬。建筑基礎(chǔ)用實(shí)體單元模擬。盾構(gòu)管片模擬v 盾構(gòu)管片和注漿層均用實(shí)體單元模擬，如下圖所示盾構(gòu)管片和注漿層均用實(shí)體單元模擬，如下圖所示盾構(gòu)管片盾構(gòu)管片盾構(gòu)注漿層盾構(gòu)注漿層模型邊界與本構(gòu)模型v 計(jì)算模型四周的外邊界僅約束邊界面法向位移，模型底部計(jì)算模型四周的外邊界僅約束邊界面法向位移，模型底部z=-40m采用固定約束，采用固定約束，z=0水平地表為自由表面。隧道埋水平地表為自由表面。隧道埋

8、深是深是11.7m。v 土體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用土體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型。本構(gòu)模型。計(jì)算模擬步驟v 1. 建立三維土體地質(zhì)模型；建立三維土體地質(zhì)模型；v 2. 在重力作用下初始地應(yīng)力平衡，位移清零；在重力作用下初始地應(yīng)力平衡，位移清零；v 3. 添加建筑物基礎(chǔ)荷載計(jì)算平衡，位移清零；添加建筑物基礎(chǔ)荷載計(jì)算平衡，位移清零；v 4. 隧道做第隧道做第1步開挖；步開挖；v 5. 在在80%荷載釋放率下計(jì)算平衡；荷載釋放率下計(jì)算平衡；v 6. 添加注漿層及隧道管片襯砌，計(jì)算平衡；添加注漿層及隧道管片襯砌，計(jì)算平衡；v 7. 重復(fù)重復(fù)46步計(jì)算，至開挖結(jié)束；步計(jì)算，至開挖結(jié)束；v 8.

9、計(jì)算結(jié)果分析。計(jì)算結(jié)果分析。荷載釋放實(shí)現(xiàn)方法v Flac3D中靜力條件下的平衡實(shí)質(zhì)上是單元中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在中靜力條件下的平衡實(shí)質(zhì)上是單元中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在x，y，z三個(gè)方向上的內(nèi)力和外力的平衡。在三個(gè)方向上的內(nèi)力和外力的平衡。在Flac3D中有如中有如下公式。下公式。v 其中其中F內(nèi)內(nèi)可用可用fish命令命令gp_zfunbal(p_gp)獲得，獲得，F(xiàn)=外外可用可用gp_zfapp(p_gp)提取，因此提取，因此節(jié)點(diǎn)的邊界約束力就可由下式得到節(jié)點(diǎn)的邊界約束力就可由下式得到內(nèi)力內(nèi)力外力外力+0FFF內(nèi)外邊界(+)FFF 邊界內(nèi)外荷載釋放實(shí)現(xiàn)方法v 在模擬盾構(gòu)隧道掘進(jìn)應(yīng)力釋放中，先對(duì)開挖暴露的節(jié)點(diǎn)添在

10、模擬盾構(gòu)隧道掘進(jìn)應(yīng)力釋放中，先對(duì)開挖暴露的節(jié)點(diǎn)添加位移約束，計(jì)算至平衡，通過上述公式求得所添加約束加位移約束，計(jì)算至平衡，通過上述公式求得所添加約束力的大小。把約束力乘以力的大小。把約束力乘以0.8的折減系數(shù)，再施加到節(jié)點(diǎn)上的折減系數(shù)，再施加到節(jié)點(diǎn)上，再次計(jì)算平衡后，便可添加注漿層和襯砌結(jié)構(gòu)。，再次計(jì)算平衡后，便可添加注漿層和襯砌結(jié)構(gòu)。v 其計(jì)算命令流可見附件其計(jì)算命令流可見附件計(jì)算結(jié)果分析v 地表沉降地表沉降 隧道隧道開挖結(jié)束后，最終土層沉降點(diǎn)云圖開挖結(jié)束后，最終土層沉降點(diǎn)云圖如下圖所如下圖所示，最大沉降區(qū)域示，最大沉降區(qū)域分布在隧道的頂部，最大值為分布在隧道的頂部，最大值為5.56mm。計(jì)

11、算結(jié)果分析v 周邊周邊建筑沉降變形建筑沉降變形 建筑建筑區(qū)域的縱向沉降剖面云圖如區(qū)域的縱向沉降剖面云圖如圖左所圖左所示。建筑的沉降云圖如示。建筑的沉降云圖如圖右圖右所所示，最大沉降值位于靠近隧道軸線區(qū)域，最大沉降值為示，最大沉降值位于靠近隧道軸線區(qū)域，最大沉降值為2.70mm。計(jì)算結(jié)果分析v 建筑沉降監(jiān)測(cè)建筑沉降監(jiān)測(cè) 基坑基坑開挖每一步，都在建筑關(guān)開挖每一步，都在建筑關(guān)鍵點(diǎn)上布置了位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)鍵點(diǎn)上布置了位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖果如下圖 隧道掘進(jìn)方向左線隧道右線隧道YSK23+584.917車站起點(diǎn)里程北京華聯(lián)117.66.06.46.0J5J9J10J12J11J3J4 J6J7J2

12、J1J17J16J13J14J15J8測(cè)點(diǎn)編號(hào)J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10最終沉降值(mm) -2.23-2.70 -2.62 0.05 -0.04 -0.04 -0.08 -0.10 0.19 -0.73 測(cè)點(diǎn)編號(hào)J11J12J13J14J15J16J17 最終沉降值(mm) -0.92 -0.70 0.07 -0.06 -0.05 -0.07 0.17 最大差異沉降值(mm)2.89最大傾斜率0.044相鄰柱間距9m相鄰柱差異沉降值(mm)0.396計(jì)算結(jié)果分析v 建筑沉降監(jiān)測(cè)曲線建筑沉降監(jiān)測(cè)曲線 計(jì)算計(jì)算中，還對(duì)隧道橫斷面及縱向地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分別在中，還對(duì)隧道橫斷面及縱向地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分別在x=-30橫斷面地表、橫斷面地表、x=-70橫斷面地表、橫斷面地表、x=-100橫斷面地表、橫斷面地表、x=-180橫斷面地表橫