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摘 要:借助ANSYS对一段隧道进行分步开挖模拟.采用ANSYS软件的生死单元控制和更换材料模拟开挖和衬砌,求解出了地层位移和地表沉降,通过对比各开挖步下的地表沉降可以看出地表沉降在盾构推进过程中的变化过程.同时还计算出了管片的主应力,计算出基于莫尔强度理论的相当应力,并对管片是否破坏进行判断.

关 键 词:隧道施工三维盾构机ANSYS

中图分类号:TU74文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010)08-114-01

盾构法施工主要用于水底公路隧道、地铁区间隧道等地下工程.盾构施工时不可避免地会引起地层移动和沉降.因此在盾构施工之前对地表沉降和隧道沉降大小预估具有非常重要的意义.

1模型建立

1.1建模参数

本文隧道净空为2.7m,衬砌管片厚度为0.3m,注浆层材料厚度为0.2m.

1.2模型图

在ANSYS的模拟计算范围确定准则下,隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小,本文中水平所取为隧道洞跨的5倍,即取30m.本文隧道总长度为58m,其中18米为盾构开挖区.18米隧道共分6个开挖步,每段开挖步长为3m.其模型如下图所示.

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盾构模拟模型图

2隧道开挖模拟

2.1开挖步骤

本文在模拟隧道分步开挖主要利用ANSYS生死和多载荷步的重启动分析,具体做法步骤如下:

(1)计算初始地应力,得到初始地应力场.

(2)选择重启动分析,添加载荷步,杀死开挖的岩土单元,并施加注浆压力和盾构掘进力.

(3)选择重启动分析,添加载荷步,启动注浆和衬砌单元,更换材料.并将注浆压力设为0,挖掘力保持.

(4)查看分步开挖的结果,并作工况组合得到分步开挖结果.

为更好形象的展示开挖过程,这里列出第一开挖步、第二开挖步和开挖完成后的效果图.

2.2地表沉降模拟结果

各开挖步下地层位移值

开挖步骤第一步开挖第二步开挖第三步开挖第四步开挖第五步开挖第六步开挖最大沉降(mm)8.48.89.59.91010.2最大隆起(mm)7.265.95.85.75

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盾构管片为C50预制混凝土管片,其破坏因素可能是由于多方面影响引起(例如应力、应变等)达到其限制而引起的,因此在本文中采用莫尔强度理论来计算盾构的等效应力.

3结论与评价

本论文通过对盾构法施工进行了开挖模拟,计算出了盾构施工过程中的地层位移、地表沉降和管片应力.通过对比各开挖步下的计算结果,可以得出以下结论:

(1)采用盾构法隧道施工时对开挖面的岩土附近有着较为明显的作用,也使得地层应力的重新分布.同时盾构施工时随着开挖面的推进,它的影响也发生着变化.

(2)盾构施工时隧道的最大位移值主要集中在隧道的仰拱和拱顶处,其中最大沉降集中在拱顶处附近,而最大隆起值集中在仰拱处.

(3)通过对比地表同一区域在不同载荷步下的沉降值可以发现在开挖面前方18m左右开始出现地表的隆起.盾构开挖向前推进时它也同时向前推进.

(4)通过莫尔强度相当应力值和管片许用应力最大值对比,可以得出管片没有发生破坏.

参考文献:

[1]张凤祥,杨国祥等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]同济大学,天津大学,西安冶金学院,上海市隧道建设公司合编,土层地下建筑施工[M].北京:中国建筑工业出版杜,1982.

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