案例2 华联超市盾构区间隧道施工过程变形分析

案例2—— 华联超市盾构区间隧道施工过程变形分析中科院计算技术研究所共二十二页盾构数值(shùzí)模拟几个关键问题(1)数值(shùzí)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研究。假设盾构一步步跳跃式的向前推进，每次向前推进的长度恰好为一个衬砌单元宽度。共二十二页盾构数值(shùzí)模拟几个关键问题(2)应力(yìnglì)释放系数

在盾构掘进时，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。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80%。共二十二页盾构数值模拟(mónǐ)几个关键问题(3)管片接头刚度二号线采用(cǎiyòng)土压平衡盾构，盾构管片的拼接方式采用(cǎiyòng)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错缝拼装方式对衬砌整体刚度的影响。共二十二页盾构数值(shùzí)模拟几个关键问题(4)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(yǐngxiǎng)，在衬砌的外层建立了一层注浆层。共二十二页盾构数值(shùzí)模拟几个关键问题(5)盾构施工影响半径

隧道(suìdào)开挖的影响半径一般是隧道(suìdào)直径的3~5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5倍的开挖直径，下边界取的也是隧道边线加5倍开挖直径，模型的上边界取的是地表面。共二十二页工程(gōngchéng)概况该盾构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3.0米，内径2.6米，钻进断面(duànmiàn)基本位于中等风化泥质砂岩中。共二十二页工程(gōngchéng)概况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础，最小竖向净距约为5.5m。隧道与建筑物相对位置关系(guānxì)如下图共二十二页地层(dìcéng)信息基坑拟建场区存在的特殊性岩土主要包括填土、黏土、粉土和强风化砂岩。各土层参数(cānshù)如下：地质名称变形模量/MPa弹性模量/Mpa天然重度γ/KN/m3粘聚力CKPa内摩擦角φ/°备注<1-1>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<10-3><3-2>可塑状黏土10.2--19.95520<10-1>粉土20.3--202317<10-2>粉土45.0--2112025<10-3>强风化泥质砂岩

180022.814030共二十二页地层(dìcéng)建模数值模型通过ABAQUS有限元软件辅助建立(jiànlì)计算网格模型，导入到FLAC3D中，建立的3D网格模型如下图。其中，建筑基础用实体单元模拟。共二十二页盾构管片(ɡuǎnpiàn)模拟盾构管片和注浆层均用实体单元模拟(mónǐ)，如下图所示盾构管片盾构注浆层共二十二页模型(móxíng)边界与本构模型(móxíng)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，z=0水平(shuǐpíng)地表为自由表面。隧道埋深是11.7m。土体结构计算采用Mohr-Coulumb本构模型。共二十二页计算模拟(mónǐ)步骤1.建立三维土体地质模型；2.在重力作用下初始地应力平衡，位移清零；3.添加(tiānjiā)建筑物基础荷载计算平衡，位移清零；4.隧道做第1步开挖；5.在80%荷载释放率下计算平衡；6.添加注浆层及隧道管片衬砌，计算平衡；7.重复4~6步计算，至开挖结束；8.计算结果分析。共二十二页荷载释放(shìfàng)实现方法Flac3D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Flac3D中有如下公式(gōngshì)。其中F内可用fish命令gp_zfunbal(p_gp)获得，F=外可用gp_zfapp(p_gp)提取，因此节点的边界约束力就可由下式得到内力外力共二十二页荷载释放(shìfàng)实现方法在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(yuēshù)，计算至平衡，通过上述公式求得所添加约束(yuēshù)力的大小。把约束(yuēshù)力乘以0.8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。其计算命令流可见附件共二十二页计算结果分析(fēnxī)地表沉降

隧道开挖结束后，最终土层沉降点云图如下图所示，最大沉降区域(qūyù)分布在隧道的顶部，最大值为5.56mm。共二十二页计算结果分析(fēnxī)周边建筑沉降变形建筑区域的纵向(zònɡxiànɡ)沉降剖面云图如图左所示。建筑的沉降云图如图右所示，最大沉降值位于靠近隧道轴线区域，最大沉降值为2.70mm。共二十二页计算结果分析(fēnxī)建筑沉降监测

基坑开挖每一步，都在建筑关键点上布置了位移(wèiyí)监测点，监测结果如下图

测点编号J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10最终沉降值(mm)

-2.23-2.70-2.620.05-0.04-0.04-0.08-0.100.19-0.73测点编号J11J12J13J14J15J16J17

最终沉降值(mm)

-0.92-0.700.07-0.06-0.05-0.070.17

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共二十二页计算结果分析(fēnxī)建筑沉降监测(jiāncè)曲线

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x=-30横断面地表、x=-70横断面地表、x=-100横断面地表、x=-180横断面地表以及左、右线隧道轴线上方地表布置监测点。

共二十二页计算结果分析(fēnxī)建筑(jiànzhù)沉降监测曲线

x=-180横断面（未穿建筑物）地表沉降曲线x=-30横断面（穿建筑物）地表沉降曲线共二十二页计算结果分析(fēnxī)建筑(jiànzhù)沉降监测曲线

左线隧道轴线地表沉降曲线共二十二页内容(nèiróng)总结案例2。隧道施工中盾构机渐进向前(xiànɡqián)推进，周围的土体则是相对静止的。假设盾构一步步跳跃式的向前(xiànɡqián)推进，每次向