地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析.docx

地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析.docx

《地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析

分类号密级

UDC编号

大连大学

论文题目:

地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析

姓名xxxxx

学号小胖虫

学科、专业土木工程

任课教师xxxxxx

年级2014

地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析

（大连大学建筑工程学院，大连116622）

摘要：

盾构法己成为城市地铁施工中一种重要的施工方法，由施工引起的地表沉降及地层移动规律是盾构隧道设计和施工中非常关心的问题之一。

本文基于ANSYS有限元软件建立3维力学模型对地铁盾构隧道掘进过程进行模拟，研究了盾构隧道推进过程中对周围地层和地表的影响以及这些影响的动态变化过程。

预测和控制盾构通过地下时所引起的地层变化，有利于盾构机的顺利掘进和确保建筑物的正常使用。

同时，其结果为相似的工程提供了理论借鉴。

关键词：

盾构隧道；动态变化；地层移动；地表沉降

1背景

随着我国现代化建设水平的不断提高，许多地区产生了诸如城市扩张、人口膨胀、交通拥挤、大气污染、噪音污染等一系列问题，如果继续开发地面交通将导致上述问题陷入恶性循环。

合理开发利用地下空间已成为目前国内外公认解决建设用地与土地资源日益严重不足问题、促进社会可持续发展和环境保护的最佳途径。

所以，地铁在现代化大都市的交通中占据越来越重要的地位。

目前，盾构法正朝着全面机械化、自动化、智能化、地下大深度、特殊断面、特殊形态的方向发展。

但无论盾构隧道施工技术如何改进，由于一方面盾构施工过程中要或多或少对围岩产生扰动，另一方面盾构施工环节较多，施工控制因素多，因此也难以避免地面隆陷及地层水平位移情况的发生。

当盾构施工引起的地层沉降过大时，可能导致地表建筑物倾斜、地下管线断裂、地面、桥梁、道路等发生破坏，对周围环境产生不利影响。

因为有限单元软件—ANSYS能系统地编成计算程序，很方便地处理复杂的边界条件，并具有计算准确可靠、适用范围广等优点。

所以，有限元法在隧道中得到广泛应用，是地铁隧道分析的一种先进有效的数值模拟方法。

2工程概况及模拟方法

2.1地铁盾构隧道掘进的模拟方法

某地铁盾构隧道管片衬砌内径为5.4m，外径D=6m，埋深为2D。

自上至下，根据土层的物性参数不同将其分为3层，各层的材料参数和层厚如下。

第一层：

厚8m，E=3.94MPa，υ=0.35，ρ=18.28KN/m3。

第二层（隧道所在层）：

厚18m，E=20.6MPa，υ=0.3，ρ=20.62KN/m3。

第三层：

厚15m，E=500MPa，υ=0.33，ρ=21.6KN/m3。

施工中掘削面顶进压力为0.3MPa，盾尾注浆压力为0.15MPa。

2.2地铁盾构隧道掘进的模拟方法

对地铁盾构隧道掘进过程的模拟，目的在于研究盾构隧道推进过程中对周围地层和地表的影响以及这些影响的动态变化过程。

为了准确地模拟这些影响，在数值模拟中应该将盾构施工对环境影响的主要因素考虑进来，具体做法如下：

（1）采用在掘削面施加顶进压力的方法来模拟开挖面土体的移动。

（2）采用施加注浆压力方法来模拟盾尾注浆过程。

（3）采用更换注浆层材料参数的方法来模拟盾尾注浆对盾尾空隙的填充效果。

温度场模型需要满足的条件如下：

（1）几何相似。

温度场模拟的外部边界应和所研究渗流区域的外部边界在几何上相似。

当渗流区域为均质岩层时,那么模型也应该是均质的;当渗流区域为非均质岩层时,那么就要求模型中不同导热介质的分界线应该与非均质岩层的分界线也要保持一致。

（2）边界条件一致。

温度模拟模型的绝热边界与渗流区域的隔水边界相对应。

导热边界和透水边界相对应,导热边界上的温度和透水边界上的水头相对应。

3模型建立和边界条件

3.1模型建立

某地铁盾构隧道管片衬砌内径为5.4m，外径D=6m，埋深为2D。

自上至下，根据土层的物性参数不同将其分为3层。

基于Ansys数值软件建立3维模型见图1。

图1有限元3维模型

3.2边界条件

模型的边界条件为四周固结，其中模型的左右侧边施加了x方向约束，前后面施加了z方向的约束，上下面施加了y方向的约束。

模型约束图见图2和图3。

图2侧面约束

图3上下面约束

4数值模拟分析

为了养成良好习惯，自重应力场求解结束后，需要对结果进行初步检查，判断准确无误后再进行下面的计算。

进去后处理器，得到Y方向的位移云图，见图4。

图4自重应力下Y方向的位移云图

4.1地层位移分析

利用Loadcase.mac中的命令可以得到地表沉降。

如图5-7所示，显示了第2步、6步、9步的地层位移图。

可以看出位移的最大值出现在隧道的拱顶和仰拱处，其中拱顶产生最大下沉约3.3cm。

图5第2步开挖引起的地层位移

图6第6步开挖引起的地层位移

图7第9步开挖引起的地层位移

4.2地表沉降分析

利用Loadcase.mac中的命令还可以得到地表沉降，通过更改Loadcase.mac中的工况号，可以得到不同时刻的地表沉降，如图8-10所示。

从中可以看出，在盾构机的顶进作用下，地表发生了前隆后沉的现象。

随着盾构机的推进，开挖面后方的沉降槽越来越宽，最大沉降量也越来越大，隆起区域也逐步向前推进。

图8第2步开挖引起的地表沉降

图9第6步开挖引起的地表沉降

图10第9步开挖引起的地表沉降

5结论

（1）盾构法隧道施工过程中引起的周围地层变形具有明显的三维特征沿隧道、横向、纵向不同位置隧道周围土体的水平和竖向位移变化很大；

（2）隧道孔上方土体产生了向隧道方向的位移，隧道孔底端下方土体也有向隧道孔移动的较小位移；隧道孔高度范围内的土体则发生了远离隧洞方向的位移，最大侧向位移发生在隧道水平轴线处，即隧道埋深的位置。

（3）隧道顶端大部分土体发生与盾构推进方向相同的位移。

隧道底端的土体也产生了与盾构推进方向相反的较小位移;隧道孔高度范围内的土体发生与盾构推进方向一致的变形。

参考文献

[1]王军,缪林昌.地铁盾构隧道穿越既有铁路隧道的数值模拟[J].现代交通技术,2011,05:

66-69.

[2]李泽荣.地铁盾构施工引起地表沉降的数值模拟研究[D].西安科技大学,2009.

Numericalsimulationanalysisoftheprocessofmetroshieldtunnelingmining

（DalianUniversity,Dalian,116622）

Abstract:

Theshielddrivingmethodhasbeenoneofthemainconstructionmethodsintheurban

tunnel.Thesoilsedimentationsandgroundmovementscausedbyshieldtunnelingaretheproblemshighlyconcernedinthedesignandconstructionprocessofshieldtunnel.Thethreedimensionalmechanicalmodelisestablishedtosimulatetheprocessofmetroshieldtunnelingmining,basedontheAnsyssoftware.Studyingontheinfluenceofthesurroundingstrataandsurfaceintheprocessofshieldtunnelingattheadvanceofshieldtunneling.Predictionandcontrolofgroundchangescausedbyshieldtunneling,anditisconducivetothesmoothdevelopmentoftheshieldmachineandtoensurethenormaluseofthebuilding.Atthesametime,theresultsprovideatheoreticalreferenceforthesimilarengineering.

Keywords：

Shieldtunnel;dynamicchange;stratamovement;surfacesubsidence

附：

详细的命令流注释

　　/clear!

更新数据库

　　/prep7!

进入前处理器

　　et,1,solid45!

设置单元类型

　　et,2,mesh200,6

　　!

土体材料参数

　　mp,ex,1,3.94e6!

地表层土弹性模量

　　mp,prxy,1,0.35!

地表层土泊松比

　　mp,dens,1,1828!

地表层土密度

　　mp,ex,2,20.6e6!

盾构隧道所在地层参数

　　mp,prxy,2,0.30

　　mp,dens,2,2160

　　mp,ex,3,500e6!

基岩地层参数

　　mp,prxy,3,0.33

　　mp,dens,3,2160

　　!

管片材料参数，管片衬砌按各向同性计算

　　mp,ex,4,27.6e9!

管片衬砌弹性模量

　　mp,prxy,4,0.2!

管片衬砌泊松比

　　mp,dens,4,2500!

管片衬砌密度

　　!

注浆层，参数按水泥土取值

　　mp,ex,5,1e9!

注浆层弹性模量

　　mp,prxy,5,0.2!

注浆层泊松比

　　mp,dens,5,2100!

注浆层密度

　　!

在隧道中心线定义局部坐标，便于后来的实体选取

　　local,11,0,0,0,0!

局部笛卡儿坐标

　　local,12,1,0,0,0!

局部极坐标

　　csys,11!

将当前坐标转换为局部坐标

　　wpcsys,-1!

同时将工作平面转换到局坐标

　　cyl4,,,,,2.7,90!

画部分圆半径为2.7

　　cyl4,0,0,2.7,0,3,90!

画管片层部分圆

　　cyl4,0,0,3,0,3.2,90!

画注浆层部分圆

　　rectng,0,4.5,0,4.5!

画外边界矩形

　　aovlap,all!

做面递加

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　rectng,4.5,31.5,0,4.5!

画矩形面

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　!

***划分单元，如图6-77所示***

　　meshkey,1!

选择划分方式为映射划分

　　type,2!

采用Mesh200进行平面内的单元划分

　　lesize,1,,,6!

对线设置单元数

　　lesize,2,,,6

　　lesize,3,,,6

　　amesh,1!

对面1划分单元

　　lesize,4,,,6!

对线设置单元数

　　lesize,8,,,2

　　lesize,9,,,2

　　amesh,2!

对面2划分单元

　　lesize,5,,,6!

对线设置单元数

　　lesize,10,,,1

　　lesize,11,,,1

　　amesh,3!

对面3划分单元

　　lesize,12,,,3!

对线设置单元数

　　lesize,13,,,3

　　lesize,6,,,3

　　lesize,7,,,3

　　lesize,14,,,8,2

　　lesize,16,,,8,0.5

　　amap,4,7,6,8,10!

对面4采用MAP方式划分单元

　　amap,5,9,8,11,12!

对面4采用MAP方式划分单元

　　!

利用对称性，得到下半部分模型，如图6-78所示

　　arsym,y,all!

以y轴为对称轴进行镜像操作

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　allsel,all!

选择所有元素

　　!

建立隧道下方土层模型，如图6-79所示

　　rectng,0,4.5,-4.5,-26!

绘制下边界矩形面

　　rectng,4.5,31.5,-4.5,-26

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　lesize,28,,,3!

对线设置单元数

　　lesize,29,,,5,0.5

　　lesize,30,,,5,2

　　lesize,32,,,5,0.5

　　lesize,31,,,8,2

　　amesh,11!

对面11和12划分单元

　　amesh,12

　　!

建立隧道上方土层模型，如图6-80所示

　　rectng,0,4.5,4.5,15!

绘制上边界矩形面

　　rectng,4.5,31.5,4.5,15

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　lesize,34,,,3!

对线设置单元数

　　lesize,35,,,4

　　lesize,33,,,4

　　lesize,36,,,4

　　lesize,37,,,8,0.5

　　amesh,13!

对面13和14划分单元

　　amesh,14

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　save

　　!

利用对称性得到平面内的全部模型，如图6-81所示。

　　allsel,all!

选择所有元素

　　arsym,x,all!

以x轴为对称轴进行镜像操作

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　save!

保存数据库

　　!

沿隧道轴线定义一系列关键点，点间距为3m

　　*do,i,1,20!

循环20次

　　k,,0,0,-3*i!

每次增加3m（纵向）

　　*enddo

　　!

沿着这些点建立线，便于后来体的拉伸

　　l,3,38!

根据关键点生成线

　　*do,i,1,19

　　l,37+i,38+i!

通过关键点号循环增加生成线

　　*enddo

　　*do,i,1,20

　　lesize,64+i,,,1!

循环对线设置单元数

　　*enddo

　　!

进行拉伸，拉伸后建立的完整模型如图6-82所示

　　type,1!

选择拉伸单元为Solid45

　　mat,1!

赋予拉伸单元材料参数

　　esys,11!

选择单元坐标

　　extopt,aclear,1!

设置拉伸选项，即拉伸完成后删除母单元Mesh200

　　csys,12

　　*do,i,1,20

　　asel,s,loc,z,-3*（i-1）!

选择拉伸的面

　　vdrag,all,,,,,,64+i!

进行拉伸

　　*enddo

　　allsel,all!

选择所有元素

　　nummrg,all!

合并所有元素

　　numcmp,all!

压缩所有元素编号

　　allsel,all!

选择所有元素

　　save!

存储数据库

　　!

赋予隧道所在地层材料参数

　　csys,0!

改变坐标系

　　nsel,s,loc,y,-10.5,5!

选择节点

　　esln,s!

选择单元

　　mpchg,2,all!

改变材料参数

　　!

赋予基岩材料参数

　　nsel,s,loc,y,-11,-26!

选择节点

　　esln,s!

选择单元

　　mpchg,3,all!

改变材料参数

　　!

建立好后的模型如图6-83所示。

　　!

施加边界条件，并进行求解设置。

　　Finish!

返回上一次主菜单

　　/solu!

进入求解器

　　csys,0!

改变坐标系

　　/view,1,-1,0.5,1!

改变视图显示方向

　　/replot!

重新绘制

　　eplot!

显示单元图

　　save!

保存数据库

　　nsubst,10!

指定荷载子步

　　nlgeom,on!

指定大变形

　　nropt,full!

指定newton-lapnace迭代

　　pred,on!

启用非线性求解预测器

　　lnsrch,on!

启用线性搜索

　　outres,all,last!

选择将每一子步的最后一个迭代计算步结果保存

　　!

施加约束条件

　　nsel,s,loc,x,-31.5!

选择节点

　　d,all,ux!

施加X方向约束

　　nsel,s,loc,x,31.5!

选择节点

　　d,all,ux!

施加X方向约束

　　nsel,s,loc,y,-26!

选择节点

　　d,all,uy!

施加Y方向约束

　　nsel,s,loc,z,0!

选择节点

　　nsel,a,loc,z,-60

　　d,all,uz!

施加Z方向约束

　　allsel,all

　　acel,0,10,0!

施加重力

　　step=0!

用于记录计算步的参数

　　save!

存储数据库

　　!

求解自重应力场。

　　time,1!

第1个荷载步（时间步）

　　solve!

求解

　　save!

存储数据库

　　finish!

返回上一次主菜单

　　/POST1

　　PLNSOL,S,Y,0,1!

SY应力云图

　　PLNSOL,U,Y,0,1!

UY应力云图

　　!

第1步开挖，进尺3m。

　　!

第一个计算步的命令流如下：

　　!

****第1步开挖，第1个计算步******

　　/solu

　　antype,,rest!

设定分析类型为重启动分析，重启动点默认为上次求解结束时

　　time,2!

设定时间步

　　AUTOTS,1!

自动增加计算步

　　DELTIM,0.1,0.001,0.2,1!

**时间步选项设置

　　csys,12!

将当前坐标变为前面自定义的极座标

　　wpcsys,-1

　　vsel,s,loc,x,0,3.2!

选择体

　　vsel,r,loc,z,0,-3!

再选择体

　　eslv,s!

选择单元

　　ekill,all!

杀死开挖土体单元，包括核心图、管片层、注浆层

　　asel,s,loc,x,0,3.19!

选择面

　　asel,r,loc,z,-3

　　SFA,all,1,PRES,0.3e6!

施加掌子面顶进压力

　　asel,s,loc,x,3.2!

选择面

　　asel,r,loc,z,0,-2.9

　　SFA,all,1,PRES,0.15e6!

施加注浆压力

　　allsel,all!

选择所有元素

　　solve!

求解

　　save!

存储数据库

　　finish!

返回上一主菜单

　　!

****第1步开挖，第2个计算步******

　　/solu!

进入求解器

　　antype,,rest!

重新启动

　　time,3!

第三次计算

　　AUTOTS,1

　　DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

　　csys,12!

改变坐标系

　　wpcsys,-1!

改变工作坐标系

　　vsel,s,loc,x,0,2!

选择体

　　vsel,r,loc,z,0,-3

　　eslv,s!

选择单元

　　ekill,all!

杀死核心土单元

　　vsel,s,loc,x,2,2.3!

选择体

　　vsel,r,loc,z,0,-3

　　eslv,s!

选择单元

　　mpchg,4,all!

改变管片单元材料参数

　　vsel,s,loc,x,2.3,2.7!

选择体

　　vsel,r,loc,z,0,-3

　　eslv,s!

选择单元

　　mpchg,5,all!

改变注浆层材料参数

　　asel,s,loc,x,0,3.19!

选择面

　　asel,r,loc,z,-3

　　SFA,all,1,PRES,0.3e6!

在面上施加压力

　　asel,s,loc,x,3.2

　　asel,r,loc,z,0,-2.9

　　SFA,all,1,PRES,0!

取消注浆压力

　　allsel,all!

选择所有元素

　　solve!

求解

　　save!

保存数据库

　　finish!

返回上一层主菜单

　　!

*******exca1.mac********

　　time,2*step

　　AUTOTS,1

　　DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

　　csys,12

　　wpcsys,-1

　　vsel,s,loc,x,0,2

　　vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

　　eslv,s

　　ekill,all

　　vsel,s,loc,x,2,2.3

　　vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

　　eslv,s

　　mpchg,4,all

　　vsel,s,loc,x,2.3,2.7

　　vsel,r,loc,z,0,-3*（step-1）

　　eslv,s

　　mpchg,5,all

　　vsel,s,loc,x,0,3.2

　　vsel,r,loc,z,-3*（step-1）,-3*step

　　eslv,s

　　ekill,all

　　asel,s,loc,x,0,3.19

　　asel,r,loc,z,-3*（step-1）

　　SFA,all,1,PRES,0e6

　　asel,s,loc,x,0,3.19

　　asel,r,loc,z,-3*step

　　SFA,all,1,PRES,0.3e6

　　asel,s,loc,x,3.2

　　asel,r,loc,z,-3*（step-1）-0.1,-3*step+0.1

　　SFA,all,1,PRES,0.15e6

　　allsel,all

　　solve

　　save

　　!

*******exca2.mac*******

　　time,2*step+1

　　AUTOTS,1

　　DELTIM,0.1,0.001,0.2,1

　　csys,12

　　wpcsys,-1

　　vsel,s,loc,x,0,2

　　vsel,r,loc,z,0,-3*step

　　eslv,s

　　ekill,all

　　vsel,s,loc,x,2,2.3

　　vsel,r,loc,z,0,-3*step

　　eslv,s

　　mpchg,4,all

　　vsel,s,loc,x,2.3,2.7

　　vsel,r,loc,z,0,-3*step

　　eslv,s

　　mpchg,5,all

　　asel,s,loc,x,0,3.19

　　asel,r,loc,z,-3*step

　　SFA,all,1,PRES,0.3e6

　　asel,s,loc,x,3.2

　　asel,r,loc,z,-3*（step-1）-0.1,-3*step+0.1

　　SFA,all,1,PRES,0

　　allsel,all

　　solve

　　save

　　!

****第2步开挖******

　　!

以下的中文说明也同第一步开挖，在此省去。

　　/solu

　　antype,,rest

　　step=2

　　exca1.mac

　　/solu

　　antype,,