隧道盾构法施工的三维有限元数值模拟分析

程 彬 卢 靖

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

隧道盾构法施工的三维有限元数值模拟分析

程 彬1卢 靖2

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

根据有限元的基本原理，对隧道盾构法施工过程进行了三维数值模拟分析，研究了盾构施工推进过程中隧道围岩的应力、位移和地表的沉降及衬砌结构受力情况，为以后的设计和施工提供相关依据。

ANSYS，有限元，数值模拟，隧道，盾构法

随着大型有限元软件的迅猛发展，近年来隧道的设计水平也相应得到了很大进步，通过计算机的三维数值模拟分析，使我们在施工前后可以进行工程风险评估，建立施工动态数据信息，减小施工风险，同时对设计工作提供更进一步的依据。

国内外专家学者对盾构法施工的研究方法可归纳为:经验公式法、实测数据回归、室内模拟试验、数值模拟法等途径[1]。对隧道盾构法施工过程进行了三维数值模拟分析，对盾构施工过程中隧道围岩的应力、位移和地表的沉降及管片结构受力情况进行了研究，为以后的设计和施工提供相关依据。

1 工程概况

本工程为陕北某铁路专用线一长约200 m的隧道，由于其进口位置地势起伏不大，为使计算方便，本文取进口位置长60 m进行分析。地层从上至下，根据地层的物性参数不同将其分为3层，第①层为黄土，厚度约10 m，第②层为强风化砂岩，厚度约20 m，第③层为弱风化砂岩，厚度大于20 m。隧道埋深约15 m，洞身位于第②层强风化砂岩中，隧道衬砌内径为5.4 m，衬砌厚度为0.6 m。各围岩的分布及主要物理、力学性质见表1。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

2 数值模拟

本模型取宽为60 m，长为60 m，高为45 m进行模拟计算，共计11 920个单元，节点13 264个。单元采用ANSYS中的Solid45单元，其模型及单元划分见图1。

本次数值模拟的约束边界条件为：前后、左右施加水平方向的位移约束,顶部为自由端，下部为竖直方向的位移约束。

本模型采用全断面开挖, 每次开挖长度为6 m，随后进行衬砌施工。在数值模拟分析过程中,利用ANSYS软件中的生死单元,模拟隧道在开挖过程中的真实受力情况。

3 计算结果及分析

在开挖前在重力作用下Y方向的位移见图2。图3～图5为施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m时各地层在Y方向的位移云图。从图中可以分析出：各地层竖向位移的最大值出现在隧道的拱顶和仰拱处，并且随着隧道的开挖，其竖向位移逐渐变大。当隧道贯通时，其中拱顶产生最大下沉约0.343 m，仰拱处产生最大上隆约0.343 m。从中可以看出盾构法比其他施工方法在隧道施工过程中的优势。

图6～图8为隧道施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m时地面沉降云图。从图中可以看出：隧道向前推进的过程中，已开挖段的地表会产生细微的沉降，其沉降量为0.002 m～0.025 m，同时盾构机在向前推进时，对前方土体产生一定的挤压作用，使得前方一定范围内地表出现隆起的现象，其隆起量可以忽略不计(0.001 m～0.006 m)。由此可见盾构法在浅埋隧道施工中对地面的影响非常小，所以在许多地下工程中，尤其是城市地铁施工，盾构法的优势更加明显。

图9～图11为隧道施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m时衬砌的应力云图。从图中可以看出：衬砌应力最大值主要在左、右两侧，说明衬砌主要受力是水平方向的力。洞口位置的应力值要比中间段大。

4 结语

通过对隧道盾构法施工的三维有限元分析，得到以下结论：

1)各地层竖向位移的最大值出现在隧道的拱顶和仰拱处，并且随着隧道的开挖，其竖向位移逐渐变大。

2)盾构法在浅埋隧道施工过程中对地面的影响非常小，所以在许多地下工程中，尤其是城市地铁施工，盾构法的优势更加明显。

3)衬砌应力最大值主要在左、右两侧，说明衬砌主要受力是水平方向的力。洞口位置的应力值要比中间段大。

[1] 张海波,朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,2005,24(5):755，758.

On three-dimension finite element simulation analysis of tunnel shield construction

Cheng Bin1Lu Jing2

(1.Xi’anResearchInstituteCo.,Ltd,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup,Xi’an710077,China;2.ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710054,China)

According to the basic principle of the finite element, the paper undertakes the three-dimension numeric simulation analysis of the tunnel shield construction process, and researches the stress, displacement, and ground settlement, and lining structure in the jacking process of the shield construction, so as to provide some reference for following design and construction.

ANSYS, finite element, numeric simulation, tunnel, shield method

2015-04-20

程 彬(1981- )，女，硕士，工程师； 卢 靖(1979- )，男，工程师

1009-6825(2015)19-0143-02

U455

A