地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析.docx

1、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

2、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

3、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

4、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，=0.35，=18.28KN/m3。 第二层（隧道所在层）：厚18m，E=20.6MPa，=0.3，=20.62KN/m3。 第三层：厚15m，E=500MPa，=0.33，=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：(

5、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

6、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

7、.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

8、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

9、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.Numerical simulation analysis of the process of metro shield tunneling mining(Dalian University, Dalian, 116622)Abstract: The shield driving method has been one of the main construction methods in the urbantunnel. The soil

10、sedimentations and ground movements caused by shield tunneling are the problems highly concerned in the design and construction process of shield tunnel. The three dimensional mechanical model is established to simulate the process of metro shield tunneling mining, based on the Ansys software. Study

11、ing on the influence of the surrounding strata and surface in the process of shield tunneling at the advance of shield tunneling. Prediction and control of ground changes caused by shield tunneling, and it is conducive to the smooth development of the shield machine and to ensure the normal use of t

12、he building. At the same time, the results provide a theoretical reference for the similar engineering.Keywords：Shield tunnel; dynamic change; strata movement; surface subsidence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

13、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,2,0.30mp,dens,2,2160mp,ex,3,500e6 !基岩地层参数mp,prxy,3,0.33mp,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

14、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2.7cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !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,a

15、ll !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Mesh 200进行平面内的单元划分lesize,1,6 !对线设置单元数lesize,2,6lesize,3,6 amesh,1 !对面1划分单元lesize,4,6 !对线设置单元数lesize,8,2lesize,9,2amesh,2 !对面2划分单元lesize,5,6 !对线设置单元数lesize,10,1lesize,11,1amesh,3 !对面3划分单元lesize,12,3 !对线设置单元数lesize,13,3lesiz

16、e,6,3lesize,7,3lesize,14,8,2lesize,16,8,0.5amap,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 !

17、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,29,5,0.5lesize,30,5,2lesize,32,5,0.5lesize,31,8,2amesh,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,4.5,31.5,4.5,15nummrg,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,35,4lesize,33,4lesize,36,4lesize

18、,37,8,0.5amesh,13 !对面13和14划分单元amesh,14nummrg,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

19、*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Solid 45mat,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Mesh 200csys,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*enddoallsel,all !选择所有元素nu

20、mmrg,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

21、.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,a

22、ll,uy !施加Y方向约束nsel,s,loc,z,0 !选择节点nsel,a,loc,z,-60d,all,uz !施加Z方向约束allsel,allacel,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/POST1PLNSOL,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*/soluantype,rest !设定分析

23、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,-1vsel,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,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !施加掌子面顶进压力asel,s,loc,x,3.2 !选择

24、面asel,r,loc,z,0,-2.9SFA,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,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,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,-3eslv,s !选择单元ekill,all !杀死核心土单元vsel,s,loc,

25、x,2,2.3 !选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,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,-3eslv,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,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !在面上施加压力asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0 !取消注浆压力allsel,all !选择所有元素solve !求解save !

26、保存数据库finish !返回上一层主菜单!*exca1.mac*time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,s,loc,x,0,3.2vsel,r,loc,

27、z,-3*(step-1),-3*stepeslv,sekill,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve save!*exca2.mac*time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.0

28、01,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,5,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0allsel,allsolve save!*第2步开挖*!以下的中文说明也同第一步开挖，在此省去。/soluantype,reststep=2exca1.mac/soluantype,