曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析.pdf
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1、铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023(4)861 引言随着城市地下空间开发建设,地下空间利用率不断提升,建构筑物、轨道交通的规划发展,导致新建地下隧道选线设计变得非常复杂,隧道线路需避开既有建构筑物桩基、既有隧道等,因此不可避免的需要采用小半径曲线的方式来规避既有影响。目前国内外对于小半径曲线隧道的研究比较多,主要集中在掘进过程研究、管片破损机理及地表变形影响方面研究。安斌等1、郑恒良2研究总结了曲线半径、推力、盾构始发方式对隧道掘进的影响;杨圆等3分析了主动铰接在小半径曲线隧道中的掘进控制技术;李强4、陈攀5等通过三维有限元分析了曲线掘进过程地表沉降变
2、化规律及对既有建构筑物的影响;赵翌川6采用有限元三维分析了小半径曲线盾构施工过程中的地层扰动规律;刘港7对施工及运营阶段曲线段的隧道衬砌变形及内力进行分析研究;张冬梅等8通过理论分析了直线段隧道纵向变形引起的隧道断面整体横向效应;江杰等9、邓皇适等10通过理论研究计算分析了盾构开挖对既有隧道沉降及地面沉降的影响。目前已有的研究仅针对单一地层条件下曲线段的隧道变形及受力研究或者直线段隧道变形及受力分析,缺乏对不同地层曲线隧道系统性的地层变形规律分析。为了探究小半径曲线隧道顶进过程中地层变形规律,利用有限元软件 ABAQUS,建立直线和曲线隧道三维数值模型,采用地层结构模型,同时考虑管片和地层之间
3、的相互作用,分析不同地层条件下的地层变形情况及地面沉降的影响。2 数值计算模型及参数2.1 工程概况及计算模型基于既有工程提供的隧道资料,盾构隧道管片外径为 3.54m,内径为 3.21m,厚度为 165mm,管片环宽度为 1.2m,隧道衬砌环采用 C50 混凝土。除直线段隧道外,小半径曲线段隧道转弯半径按照25D考虑,即隧道转弯半径为 90m。利用 Abaqus 有限元软件建立隧道-地层相互作曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析李 燚(中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院 武汉 430063)【摘 要】为了探究小半径曲线盾构隧道顶进过程地表沉降的规律,对隧道结构施工过程进行数值分析,通过有限
4、元软件分别建立直线和曲线隧道模型分析不同地层条件隧道地表沉降。研究结果显示,直线和曲线隧道在顶进力作用下地表沉降的规律不同,直线段沉降差值大致关于隧道轴线对称,而曲线段外侧有向上隆起趋势,内侧有向下沉陷趋势。研究结果对于今后小半径曲线的研究和施工有指导意义。【关键词】小半径曲线隧道 盾构顶进 地层沉降 数值分析Numerical Analysis on Surface Subsidence during Tunnelling Process of Curved Shield TunnelLI Yi(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.
5、,Ltd Wuhan 430063)【Abstract】In order to explore the law of surface subsidence during tunnelling process of small radius curved shield tunnel,numerical analysis is carried out for the tunnelling process of shield tunnel.The numerical analysis models of straight and curved shield tunnel are establishe
6、d to analyze the surface subsidence of tunnels under different stratum conditions The results show that:the rules of surface subsidence of straight and curved tunnels are different during tunnelling process.The difference of subsidence of straight section is approximately symmetrical about the tunne
7、l axis,while the outer side of curved section has upward uplift trend and the inner side has downward subsidence trend.The research results are instructive for the research and construction of small radius curved shield tunnel in the future.【Keywords】small radius curved shield tunnel;shield tunnelli
8、ng;surface subsidence;numerical analysis曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析 李 燚872023 No.4用模型,如图 1 所示。为了探究曲线隧道在不同地层中掘进引起的地层变形规律,隧道穿越范围内考虑简化为均质地层,不考虑地层变化。为了得到不同地层及不同埋深条件下的隧道地表变形变化规律,分别建立埋深 30m、50m 及 70m 下的不同地层数值分析模型,计算过程考虑模型适当外扩来消除边界效应影响。2.2 材料本构模型及参数由于本次研究数值计算主要考虑直线与曲线段地层变形的影响,不考虑超限情况下的管片受力及破坏机理,因此采用简化的线弹性模型来模拟混凝土管片
9、。根据相关资料及既有经验,为了更好地反应地层变形情况,黏土地层采用线性 Drucker Prager 模型;砂土和圆砾地层采用 Mohr-Coulomb 模型。结合勘察报告提供的相关地层参数,结合模型本构关系参数之间的关系,整理出各构件及地层材料参数,用于数值模拟中材料属性的定义,如表 1 所示。表 1 有限元分析材料参数材料重度(kN/m3)模量(MPa)泊松比粘聚力(kPa)摩擦角()剪胀角()摩擦系数(与管片之间)混凝土2434.51030.2砂土1913.150.351.831150.35黏土19.910.450.4851.321.50(0.1)0.4圆砾25180.250(1)310
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