案例2 華聯(lián)超市盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程變形分析

案例2—— 華聯(lián)超市盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程變形分析中科院計(jì)算技術(shù)研究所共二十二頁(yè)盾構(gòu)數(shù)值(shùzí)模擬幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(1)數(shù)值(shùzí)模擬中開(kāi)挖時(shí)間步處理隧道施工中盾構(gòu)機(jī)漸進(jìn)向前推進(jìn)，周?chē)耐馏w則是相對(duì)靜止的。有限元法難以做到完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進(jìn)過(guò)程，必須一定的簡(jiǎn)化，通常將盾構(gòu)推進(jìn)作為一個(gè)非連續(xù)的過(guò)程來(lái)研究。假設(shè)盾構(gòu)一步步跳躍式的向前推進(jìn)，每次向前推進(jìn)的長(zhǎng)度恰好為一個(gè)襯砌單元寬度。共二十二頁(yè)盾構(gòu)數(shù)值(shùzí)模擬幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(2)應(yīng)力(yìnglì)釋放系數(shù)

在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，為了減小盾構(gòu)機(jī)的摩阻力以使盾構(gòu)機(jī)能夠順利前行，盾構(gòu)的刀盤(pán)外徑大于盾構(gòu)機(jī)的外徑，從而在盾構(gòu)機(jī)外圍產(chǎn)生一定厚度的間隙。盾構(gòu)機(jī)盾尾的空隙主要由三個(gè)部分組成：一部分是盾構(gòu)殼厚所占的體積；一部分是為了方便襯砌組裝而預(yù)留的操作間隙；一部分是刀盤(pán)超開(kāi)挖間隙。參考相關(guān)文獻(xiàn)并考慮工程實(shí)際情況，通過(guò)考慮開(kāi)挖后隧道應(yīng)力釋放來(lái)模擬空隙對(duì)沉降的影響，應(yīng)力釋放率取80%。共二十二頁(yè)盾構(gòu)數(shù)值模擬(mónǐ)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(3)管片接頭剛度二號(hào)線(xiàn)采用(cǎiyòng)土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)管片的拼接方式采用(cǎiyòng)的是錯(cuò)縫拼接方式，縱向的剛度較大，因此不考慮管片接頭及錯(cuò)縫拼裝方式對(duì)襯砌整體剛度的影響。共二十二頁(yè)盾構(gòu)數(shù)值(shùzí)模擬幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(4)注漿層的考慮為減小因空隙引起的圍巖變形，在盾尾脫離前，土體向盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)向盾尾空隙注混凝土漿體，數(shù)值模擬時(shí)，為考慮注漿層的影響(yǐngxiǎng)，在襯砌的外層建立了一層注漿層。共二十二頁(yè)盾構(gòu)數(shù)值(shùzí)模擬幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(5)盾構(gòu)施工影響半徑

隧道(suìdào)開(kāi)挖的影響半徑一般是隧道(suìdào)直徑的3~5倍半徑，在選取模型邊界時(shí)，盾構(gòu)隧道的左右邊界取的都是隧道邊線(xiàn)加5倍的開(kāi)挖直徑，下邊界取的也是隧道邊線(xiàn)加5倍開(kāi)挖直徑，模型的上邊界取的是地表面。共二十二頁(yè)工程(gōngchéng)概況該盾構(gòu)區(qū)間隧道采用雙孔盾構(gòu)法由西向東鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)半徑外徑3.0米，內(nèi)徑2.6米，鉆進(jìn)斷面(duànmiàn)基本位于中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中。共二十二頁(yè)工程(gōngchéng)概況隧道右道下穿地下室疏散出口，北京華聯(lián)長(zhǎng)江路店為筏板基礎(chǔ)，最小豎向凈距約為5.5m。隧道與建筑物相對(duì)位置關(guān)系(guānxì)如下圖共二十二頁(yè)地層(dìcéng)信息基坑擬建場(chǎng)區(qū)存在的特殊性巖土主要包括填土、黏土、粉土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖。各土層參數(shù)(cānshù)如下：地質(zhì)名稱(chēng)變形模量/MPa彈性模量/Mpa天然重度γ/KN/m3粘聚力CKPa內(nèi)摩擦角φ/°備注<1-1>人工填筑土4.4--18.51612隧道埋深是11.7m，主要穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖<10-3><3-2>可塑狀黏土10.2--19.95520<10-1>粉土20.3--202317<10-2>粉土45.0--2112025<10-3>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖

180022.814030共二十二頁(yè)地層(dìcéng)建模數(shù)值模型通過(guò)ABAQUS有限元軟件輔助建立(jiànlì)計(jì)算網(wǎng)格模型，導(dǎo)入到FLAC3D中，建立的3D網(wǎng)格模型如下圖。其中，建筑基礎(chǔ)用實(shí)體單元模擬。共二十二頁(yè)盾構(gòu)管片(ɡuǎnpiàn)模擬盾構(gòu)管片和注漿層均用實(shí)體單元模擬(mónǐ)，如下圖所示盾構(gòu)管片盾構(gòu)注漿層共二十二頁(yè)模型(móxíng)邊界與本構(gòu)模型(móxíng)計(jì)算模型四周的外邊界僅約束邊界面法向位移，模型底部z=-40m采用固定約束，z=0水平(shuǐpíng)地表為自由表面。隧道埋深是11.7m。土體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型。共二十二頁(yè)計(jì)算模擬(mónǐ)步驟1.建立三維土體地質(zhì)模型；2.在重力作用下初始地應(yīng)力平衡，位移清零；3.添加(tiānjiā)建筑物基礎(chǔ)荷載計(jì)算平衡，位移清零；4.隧道做第1步開(kāi)挖；5.在80%荷載釋放率下計(jì)算平衡；6.添加注漿層及隧道管片襯砌，計(jì)算平衡；7.重復(fù)4~6步計(jì)算，至開(kāi)挖結(jié)束；8.計(jì)算結(jié)果分析。共二十二頁(yè)荷載釋放(shìfàng)實(shí)現(xiàn)方法Flac3D中靜力條件下的平衡實(shí)質(zhì)上是單元中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在x，y，z三個(gè)方向上的內(nèi)力和外力的平衡。在Flac3D中有如下公式(gōngshì)。其中F內(nèi)可用fish命令gp_zfunbal(p_gp)獲得，F(xiàn)=外可用gp_zfapp(p_gp)提取，因此節(jié)點(diǎn)的邊界約束力就可由下式得到內(nèi)力外力共二十二頁(yè)荷載釋放(shìfàng)實(shí)現(xiàn)方法在模擬盾構(gòu)隧道掘進(jìn)應(yīng)力釋放中，先對(duì)開(kāi)挖暴露的節(jié)點(diǎn)添加位移約束(yuēshù)，計(jì)算至平衡，通過(guò)上述公式求得所添加約束(yuēshù)力的大小。把約束(yuēshù)力乘以0.8的折減系數(shù)，再施加到節(jié)點(diǎn)上，再次計(jì)算平衡后，便可添加注漿層和襯砌結(jié)構(gòu)。其計(jì)算命令流可見(jiàn)附件共二十二頁(yè)計(jì)算結(jié)果分析(fēnxī)地表沉降

隧道開(kāi)挖結(jié)束后，最終土層沉降點(diǎn)云圖如下圖所示，最大沉降區(qū)域(qūyù)分布在隧道的頂部，最大值為5.56mm。共二十二頁(yè)計(jì)算結(jié)果分析(fēnxī)周邊建筑沉降變形建筑區(qū)域的縱向(zònɡxiànɡ)沉降剖面云圖如圖左所示。建筑的沉降云圖如圖右所示，最大沉降值位于靠近隧道軸線(xiàn)區(qū)域，最大沉降值為2.70mm。共二十二頁(yè)計(jì)算結(jié)果分析(fēnxī)建筑沉降監(jiān)測(cè)

基坑開(kāi)挖每一步，都在建筑關(guān)鍵點(diǎn)上布置了位移(wèiyí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖

測(cè)點(diǎn)編號(hào)J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10最終沉降值(mm)

-2.23-2.70-2.620.05-0.04-0.04-0.08-0.100.19-0.73測(cè)點(diǎn)編號(hào)J11J12J13J14J15J16J17

最終沉降值(mm)

-0.92-0.700.07-0.06-0.05-0.070.17

最大差異沉降值(mm)2.89最大傾斜率0.044‰相鄰柱間距9m

相鄰柱差異沉降值(mm)0.396共二十二頁(yè)計(jì)算結(jié)果分析(fēnxī)建筑沉降監(jiān)測(cè)(jiāncè)曲線(xiàn)

計(jì)算中，還對(duì)隧道橫斷面及縱向地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分別在x=-30橫斷面地表、x=-70橫斷面地表、x=-100橫斷面地表、x=-180橫斷面地表以及左、右線(xiàn)隧道軸線(xiàn)上方地表布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

共二十二頁(yè)計(jì)算結(jié)果分析(fēnxī)建筑(jiànzhù)沉降監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

x=-180橫斷面（未穿建筑物）地表沉降曲線(xiàn)x=-30橫斷面（穿建筑物）地表沉降曲線(xiàn)共二十二頁(yè)計(jì)算結(jié)果分析(fēnxī)建筑(jiànzhù)沉降監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

左線(xiàn)隧道軸線(xiàn)地表沉降曲線(xiàn)共二十二頁(yè)內(nèi)容(nèiróng)總結(jié)案例2。隧道施工中盾構(gòu)機(jī)漸進(jìn)向前(xiànɡqián)推進(jìn)，周?chē)耐馏w則是相對(duì)靜止的。假設(shè)盾構(gòu)一步步跳躍式的向前(xiànɡqián)推進(jìn)，每次向