隧道盾構法施工的三維有限元數值模擬分析

程 彬 盧 靖

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

隧道盾構法施工的三維有限元數值模擬分析

程 彬1盧 靖2

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

根據有限元的基本原理，對隧道盾構法施工過程進行了三維數值模擬分析，研究了盾構施工推進過程中隧道圍巖的應力、位移和地表的沉降及襯砌結構受力情況，為以后的設計和施工提供相關依據。

ANSYS，有限元，數值模擬，隧道，盾構法

隨著大型有限元軟件的迅猛發展，近年來隧道的設計水平也相應得到了很大進步，通過計算機的三維數值模擬分析，使我們在施工前后可以進行工程風險評估，建立施工動態數據信息，減小施工風險，同時對設計工作提供更進一步的依據。

國內外專家學者對盾構法施工的研究方法可歸納為:經驗公式法、實測數據回歸、室內模擬試驗、數值模擬法等途徑[1]。對隧道盾構法施工過程進行了三維數值模擬分析，對盾構施工過程中隧道圍巖的應力、位移和地表的沉降及管片結構受力情況進行了研究，為以后的設計和施工提供相關依據。

1 工程概況

本工程為陜北某鐵路專用線一長約200 m的隧道，由于其進口位置地勢起伏不大，為使計算方便，本文取進口位置長60 m進行分析。地層從上至下，根據地層的物性參數不同將其分為3層，第①層為黃土，厚度約10 m，第②層為強風化砂巖，厚度約20 m，第③層為弱風化砂巖，厚度大于20 m。隧道埋深約15 m，洞身位于第②層強風化砂巖中，隧道襯砌內徑為5.4 m，襯砌厚度為0.6 m。各圍巖的分布及主要物理、力學性質見表1。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數

2 數值模擬

本模型取寬為60 m，長為60 m，高為45 m進行模擬計算，共計11 920個單元，節點13 264個。單元采用ANSYS中的Solid45單元，其模型及單元劃分見圖1。

本次數值模擬的約束邊界條件為：前后、左右施加水平方向的位移約束,頂部為自由端，下部為豎直方向的位移約束。

本模型采用全斷面開挖, 每次開挖長度為6 m，隨后進行襯砌施工。在數值模擬分析過程中,利用ANSYS軟件中的生死單元,模擬隧道在開挖過程中的真實受力情況。

3 計算結果及分析

在開挖前在重力作用下Y方向的位移見圖2。圖3～圖5為施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m時各地層在Y方向的位移云圖。從圖中可以分析出：各地層豎向位移的最大值出現在隧道的拱頂和仰拱處，并且隨著隧道的開挖，其豎向位移逐漸變大。當隧道貫通時，其中拱頂產生最大下沉約0.343 m，仰拱處產生最大上隆約0.343 m。從中可以看出盾構法比其他施工方法在隧道施工過程中的優勢。

圖6～圖8為隧道施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m時地面沉降云圖。從圖中可以看出：隧道向前推進的過程中，已開挖段的地表會產生細微的沉降，其沉降量為0.002 m～0.025 m，同時盾構機在向前推進時，對前方土體產生一定的擠壓作用，使得前方一定范圍內地表出現隆起的現象，其隆起量可以忽略不計(0.001 m～0.006 m)。由此可見盾構法在淺埋隧道施工中對地面的影響非常小，所以在許多地下工程中，尤其是城市地鐵施工，盾構法的優勢更加明顯。

圖9～圖11為隧道施工0 m～6 m，6 m～12 m，12 m～60 m時襯砌的應力云圖。從圖中可以看出：襯砌應力最大值主要在左、右兩側，說明襯砌主要受力是水平方向的力。洞口位置的應力值要比中間段大。

4 結語

通過對隧道盾構法施工的三維有限元分析，得到以下結論：

1)各地層豎向位移的最大值出現在隧道的拱頂和仰拱處，并且隨著隧道的開挖，其豎向位移逐漸變大。

2)盾構法在淺埋隧道施工過程中對地面的影響非常小，所以在許多地下工程中，尤其是城市地鐵施工，盾構法的優勢更加明顯。

3)襯砌應力最大值主要在左、右兩側，說明襯砌主要受力是水平方向的力。洞口位置的應力值要比中間段大。

[1] 張海波,朱俊高.地鐵隧道盾構法施工過程中地層變位的三維有限元模擬[J].巖石力學與工程學報,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，碩士，工程師； 盧 靖(1979- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0143-02

U455

A