案例2 华联超市盾构区间隧道施工过程变形分析

1、案例案例2 华联超市盾构区间隧道施工过程变形分析华联超市盾构区间隧道施工过程变形分析v中科院计算技术研究所中科院计算技术研究所盾构数值模拟几个关键问题v (1)数值模拟中开挖时间步处理数值模拟中开挖时间步处理 隧道施工中盾构机渐进向前推进，周围的土体则是相对隧道施工中盾构机渐进向前推进，周围的土体则是相对静止的。有限元法难以做到完全模拟盾构的连续推进过程，静止的。有限元法难以做到完全模拟盾构的连续推进过程，必须一定的简化，通常将盾构推进作为一个非连续的过程来必须一定的简化，通常将盾构推进作为一个非连续的过程来研究。假设盾构一步步跳跃式的向前推进，每次向前推进的研究。假设盾构一步步跳跃式的向前推

2、进，每次向前推进的长度恰好为一个衬砌单元宽度。长度恰好为一个衬砌单元宽度。盾构数值模拟几个关键问题v (2)应力释放系数应力释放系数 在在盾构掘进时，为了减小盾构机的摩阻力以使盾构机能盾构掘进时，为了减小盾构机的摩阻力以使盾构机能够顺利前行，盾构的刀盘外径大于盾构机的外径，从而在盾够顺利前行，盾构的刀盘外径大于盾构机的外径，从而在盾构机外围产生一定厚度的间隙。盾构机盾尾的空隙主要由三构机外围产生一定厚度的间隙。盾构机盾尾的空隙主要由三个部分组成：一部分是盾构壳厚所占的体积；一部分是为了个部分组成：一部分是盾构壳厚所占的体积；一部分是为了方便衬砌组装而预留的操作间隙；一部分是刀盘超开挖间隙。方便

3、衬砌组装而预留的操作间隙；一部分是刀盘超开挖间隙。参考相关文献并考虑工程实际情况，通过考虑开挖后隧道应参考相关文献并考虑工程实际情况，通过考虑开挖后隧道应力释放来模拟空隙对沉降的影响，应力释放率取力释放来模拟空隙对沉降的影响，应力释放率取80%。盾构数值模拟几个关键问题v (3)管片接头刚度管片接头刚度 二号线采用土压平衡盾构，盾构管片的拼接方式采用的二号线采用土压平衡盾构，盾构管片的拼接方式采用的是错缝拼接方式，纵向的刚度较大，因此不考虑管片接头及是错缝拼接方式，纵向的刚度较大，因此不考虑管片接头及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的影响。错缝拼装方式对衬砌整体刚度的影响。盾构数值模拟几个关键问题v

4、 (4)注浆层的考虑注浆层的考虑为减小因空隙引起的围岩变形，在盾尾脱离前，土体向盾为减小因空隙引起的围岩变形，在盾尾脱离前，土体向盾构推进的同时向盾尾空隙注混凝土浆体，数值模拟时，为考构推进的同时向盾尾空隙注混凝土浆体，数值模拟时，为考虑注浆层的影响，在衬砌的外层建立了一层注浆层。虑注浆层的影响，在衬砌的外层建立了一层注浆层。盾构数值模拟几个关键问题v (5)盾构施工影响半径盾构施工影响半径 隧道隧道开挖的影响半径一般是隧道直径的开挖的影响半径一般是隧道直径的35倍半径，在选倍半径，在选取模型边界时，盾构隧道的左右边界取的都是隧道边线加取模型边界时，盾构隧道的左右边界取的都是隧道边线加5倍倍的

5、开挖直径，下边界取的也是隧道边线加的开挖直径，下边界取的也是隧道边线加5倍开挖直径，模型倍开挖直径，模型的上边界取的是地表面。的上边界取的是地表面。工程概况v 该盾构该盾构区间隧道采用双孔盾构法由西向东钻进施工，钻进区间隧道采用双孔盾构法由西向东钻进施工，钻进半径外径半径外径3.0米，内径米，内径2.6米，钻进断面基本位于中等风化泥米，钻进断面基本位于中等风化泥质砂岩中。质砂岩中。隧道掘进方向左线隧道右线隧道YSK23+584.917车站起点里程北京华联117.66.06.46.0工程概况v 隧道右道下穿地下室疏散出口，北京华联长江路店为筏板隧道右道下穿地下室疏散出口，北京华联长江路店为筏板基

6、础，最小竖向净距约为基础，最小竖向净距约为5.5m。隧道与建筑物相对位置关。隧道与建筑物相对位置关系系如下图如下图地层信息v 基坑拟建场区存在的特殊性岩土主要包括填土、基坑拟建场区存在的特殊性岩土主要包括填土、黏土黏土、粉粉土土和和强强风化风化砂砂岩。岩。各土层参数如下：各土层参数如下：地质名称变形模量/MPa弹性模量/Mpa天然重度/KN/m3粘聚力CKPa内摩擦角/ 备注人工填筑土4.4-18.51612隧道埋深是11.7m，主要穿越强风化泥质砂岩可塑状黏土10.2-19.95520粉土20.3-202317粉土45.0-2112025强风化泥质砂岩 180022.814030地层建模v

7、数值模型通过数值模型通过ABAQUS有限元软件辅助建立计算网格模型有限元软件辅助建立计算网格模型，导入到，导入到FLAC3D中，建立的中，建立的3D网格模型如网格模型如下图。其中，下图。其中，建筑基础用实体单元模拟。建筑基础用实体单元模拟。盾构管片模拟v 盾构管片和注浆层均用实体单元模拟，如下图所示盾构管片和注浆层均用实体单元模拟，如下图所示盾构管片盾构管片盾构注浆层盾构注浆层模型边界与本构模型v 计算模型四周的外边界仅约束边界面法向位移，模型底部计算模型四周的外边界仅约束边界面法向位移，模型底部z=-40m采用固定约束，采用固定约束，z=0水平地表为自由表面。隧道埋水平地表为自由表面。隧道埋

8、深是深是11.7m。v 土体结构计算采用土体结构计算采用Mohr-Coulumb本构模型。本构模型。计算模拟步骤v 1. 建立三维土体地质模型；建立三维土体地质模型；v 2. 在重力作用下初始地应力平衡，位移清零；在重力作用下初始地应力平衡，位移清零；v 3. 添加建筑物基础荷载计算平衡，位移清零；添加建筑物基础荷载计算平衡，位移清零；v 4. 隧道做第隧道做第1步开挖；步开挖；v 5. 在在80%荷载释放率下计算平衡；荷载释放率下计算平衡；v 6. 添加注浆层及隧道管片衬砌，计算平衡；添加注浆层及隧道管片衬砌，计算平衡；v 7. 重复重复46步计算，至开挖结束；步计算，至开挖结束；v 8.

9、计算结果分析。计算结果分析。荷载释放实现方法v Flac3D中静力条件下的平衡实质上是单元中每一个节点在中静力条件下的平衡实质上是单元中每一个节点在x，y，z三个方向上的内力和外力的平衡。在三个方向上的内力和外力的平衡。在Flac3D中有如中有如下公式。下公式。v 其中其中F内内可用可用fish命令命令gp_zfunbal(p_gp)获得，获得，F=外外可用可用gp_zfapp(p_gp)提取，因此提取，因此节点的边界约束力就可由下式得到节点的边界约束力就可由下式得到内力内力外力外力+0FFF内外边界(+)FFF 边界内外荷载释放实现方法v 在模拟盾构隧道掘进应力释放中，先对开挖暴露的节点添在

10、模拟盾构隧道掘进应力释放中，先对开挖暴露的节点添加位移约束，计算至平衡，通过上述公式求得所添加约束加位移约束，计算至平衡，通过上述公式求得所添加约束力的大小。把约束力乘以力的大小。把约束力乘以0.8的折减系数，再施加到节点上的折减系数，再施加到节点上，再次计算平衡后，便可添加注浆层和衬砌结构。，再次计算平衡后，便可添加注浆层和衬砌结构。v 其计算命令流可见附件其计算命令流可见附件计算结果分析v 地表沉降地表沉降 隧道隧道开挖结束后，最终土层沉降点云图开挖结束后，最终土层沉降点云图如下图所如下图所示，最大沉降区域示，最大沉降区域分布在隧道的顶部，最大值为分布在隧道的顶部，最大值为5.56mm。计

11、算结果分析v 周边周边建筑沉降变形建筑沉降变形 建筑建筑区域的纵向沉降剖面云图如区域的纵向沉降剖面云图如图左所图左所示。建筑的沉降云图如示。建筑的沉降云图如图右图右所所示，最大沉降值位于靠近隧道轴线区域，最大沉降值为示，最大沉降值位于靠近隧道轴线区域，最大沉降值为2.70mm。计算结果分析v 建筑沉降监测建筑沉降监测 基坑基坑开挖每一步，都在建筑关开挖每一步，都在建筑关键点上布置了位移监测点，监测结键点上布置了位移监测点，监测结果如下图果如下图 隧道掘进方向左线隧道右线隧道YSK23+584.917车站起点里程北京华联117.66.06.46.0J5J9J10J12J11J3J4 J6J7J2

12、J1J17J16J13J14J15J8测点编号J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10最终沉降值(mm) -2.23-2.70 -2.62 0.05 -0.04 -0.04 -0.08 -0.10 0.19 -0.73 测点编号J11J12J13J14J15J16J17 最终沉降值(mm) -0.92 -0.70 0.07 -0.06 -0.05 -0.07 0.17 最大差异沉降值(mm)2.89最大倾斜率0.044相邻柱间距9m相邻柱差异沉降值(mm)0.396计算结果分析v 建筑沉降监测曲线建筑沉降监测曲线 计算计算中，还对隧道横断面及纵向地表沉降进行了监测，分别在中，还对隧道横断面及纵向地表沉降进行了监测，分别在x=-30横断面地表、横断面地表、x=-70横断面地表、横断面地表、x=-100横断面地表、横断面地表、x=-180横断面地表横