城市地铁TBM隧道施工影响的数值分析.pdf

2023年10月总第340期陕西建筑5岩土工程与地基基础城市地铁TBM隧道施工影响的数值分析陈 兴（陕西省建筑科学研究院有限公司 陕西 西安 710082）摘 要：为研究城市地铁隧道TBM施工过程中周围土体及影响及衬砌、盾片的力学性能，本文采用有限元数值模拟的方式对某城市地铁 的TBM隧道进行模拟分析。结果表明：随着开挖过程进行，拱顶土体的沉降变化不大，但平面影响范围较大。开挖过程中隧道侧向变形较竖向变形大，洞口的应力集中较为严重。开挖过程中的衬砌和管片的变形较小，满足板类受弯的变形要求，管片的应力集中主要在衬砌拼接处。关键词：TBM施工技术；数值分析；施工阶段中图分类号：U451 文献标识码：A作者简介：陈兴，本科，工程师，主要研究方向：桥梁隧道检测、建筑结构安鉴定等。Numerical analysis of the influence of TBM tunnel construction in urban metroAbstract:In order to study the mechanical properties of the surrounding soil and its influence as well as the lining and shield during TBM construction of an urban subway tunnel,the finite element numerical simulation method was used to simulate and analyze the TBM tunnel of an urban subway.The results show that with the excavation process,the soil settlement of the arch roof changes little,but the plane influence range is large.In the process of excavation,the lateral deformation of the tunnel is larger than the vertical deformation,and the stress concentration at the entrance is more serious.The deformation of lining and segment is small in the process of excavation,which meets the deformation requirements of plate bending.The stress concentration of segment is mainly at the splice of lining.Keywords:TBM construction technology;Numerical analysis;Construction phase2023年10月总第340期陕西建筑60 引言我国现阶段地铁建设的速度和规模不断加大，新型的隧道施工技术发展日新月异，TBM技术因为其集成化高、施工速度快，已经较为普遍地运用于隧道之中1-3。在浅埋城市隧道工程中，TBM施工对于周边建筑区域有一定影响，因此在施工之前必须做出正确的评估。本文拟将TBM隧道施工对既有建筑区域的影响以及管片衬砌在施工过程中的力学分析作为研究重点。为此。本文依托某地铁TBM项目对TBM隧道施工过程中既有建筑区域的敏感度分析和衬砌管片进行力学分析，研究为TBM隧道施工技术的应用提供参考。1 工程概况该隧道项目全场2.1km，岩层为软岩，施工周期较短，周围建筑物较多，为减少施工期间对相邻建筑区域的影响，采用TBM方法进行施工。2 有限元模型建立2.1地层-结构法采用的数值分析方法为地层-结构模型4-5，区别于传统的荷载-结构法及二维分析法，地层-结构模型是基于连续介质力学的方法，对工程本身的受力特性以及附近地层的影响情况进行研究，可以得到衬砌的变形、受力以及地层的沉降，与实际情况较为吻合，对于研究开挖隧道本身及周围土体较为适用。利用GTS对TBM施工的数值模拟时需要根据力学模型和实际地质情况进行简化，主要有以下几点：（1）围岩及土层均匀分布（2）衬砌管片接头位置非连续，模拟时考虑刚度折减（3）忽略土体开挖的扰动引起周围围岩力学性能的改变2.2单元采用的2D板单元模拟盾壳及注浆，土体采用实体单元模拟，盾构机开挖时存在HP(掘进压力)和J(千斤顶压力)于盾构掘进面上，在环绕盾构的面上存在S（盾壳外压）及(管片外压)。采用MIDAS GTS 软件进行有限元分析，图1为地层-隧道整体模型，土层埋深为20m；图2为衬砌管片和盾片的模型。土体、管片、盾壳及注浆层的材料特性如表1所示，单元属性如表2所示，其中土体和管片采用3D实体单元模拟，盾片及注浆采用2D板单元模拟。（a）地层-隧道模型 （b）管片模型 （c）盾片模型图1 为地层-隧道整体模型2023年10月总第340期陕西建筑7 3 TBM隧道对既有建筑区域的敏感度分析3.1 敏感度分析图2为施工一半和施工终止时的土体变形图，根据图中的结果可知，在此开挖过程中完成一半后，开挖面附近土体隧道拱顶的沉降为2.8mm，地面影响范围大致为11.5m；开挖至终点时候，开挖面附近土体隧道拱顶的沉降为3.2mm，地面影响范围大致为24.5m，总体上表现为施工阶段对地表的沉降影响较小，但影响范围扩大较大5。开挖时隧道同时受到侧向压力，图3即为开挖时的侧向变形图，由图可知，隧道侧壁变形最大，大约为2.5mm。沿开挖方向的掌子面时该方向变形最大的区域，大约为0.4mm。3.2 应力分析土层在开挖时会受到扰动，图4为开挖中和开挖结束时的土层应力图，从图中可以看出，开挖中时应力最大的区域主要集中在掌子面附近，最大值约为1.4MPa，已经开挖的部分应力较小，这与实际情况相符合。开挖结束后应力分布较为较为均匀，应力较大区域分布在洞的两侧以及顶部，洞口附近有一定的应力集中。4 TBM 隧道衬砌和盾片力学分析4.1 变形分析图5为施工一半和施工终止时的衬砌变形图，根据图5中的结果可知，在此开挖过程中完成一半后，前端的钢盾片相比于盾尾的混凝土衬砌变形较小，受力也更加均匀；开挖结束后，衬砌管片的顶部变形较大，与开挖中相比较也较大，但总的变形满足一般板类受弯构件1/200的变形要求。名称土管片注浆盾壳材料类型摩尔库伦弹性弹性弹性弹性模量(KNm)1.3E+062.1E+071.0E+071.3E+06泊松比0.310.290.300.31容重(kN/m3)192422.519粘聚力15/15摩擦角30/30类型土管片注浆盾壳材料土混凝土混凝土钢材厚度/mm/3006060类型掘进压千斤顶推力盾壳外压适管片外压压力值/KPa2004500501000表1 材料属性表2 单元属性表3 荷载值注：“/”表示该材料的本构模型不存在此项参数。注：“/”表示该单元的属性中不存在此项参数。注：“/”表示该单元的属性中不存在此项参数。2023年10月总第340期陕西建筑8图2 不同施工阶段的地表沉降图3 开挖过程中的侧向变形图图4 土层应力图2023年10月总第340期陕西建筑94.2 应力分析混凝土衬砌管片在施工中期时，受力较为均匀，拉应力较大的区域位于管片的拼接位置，如图6所示。开挖结束后，隧道洞口附近还保留较大面积的钢拱圈，因此该区域的应力较小。5 结语本文采用有限元软件对城市地铁TBM隧道进行了数值模拟分析，主要结论如下：（1）随着开挖过程进行，拱顶土体的沉降变化不大，但平面影响范围较大。（2）开挖过程中隧道侧向变形较竖向变形大，洞口的应力集中较为严重。（3）开挖过程中的衬砌和管片的变形较小，满足板类受弯的变形要求，管片的应力集中主要在衬砌拼接处。参考文献1齐梦学.我国TBM法隧道工程技术的发展、现状及展望J.隧道建设(中英文),2021,41(11):1964-1979.图5 衬砌和管片变形图图6 衬砌和管片应力图2023年10月总第340期陕西建筑102洪开荣,冯欢欢.近2年我国隧道及地下工程发展与思考(20192020年)J.隧道建设(中英文),2021,41(08):1259-1280.3王飞阳,周凯歌,方勇等.TBM开挖深埋铁路隧道引起的围岩扰动分析J.隧道建设(中英文),2021,41(02):240-247.4梁海涛,万磊,周海昌.复杂围岩大断面浅埋隧道开挖方法的数值分析研究J.河北建筑工程学院学报,2022,40(04):34-38.5王伟杰.隧道开挖引起的围岩变形特征数值分析J.现代交通技术,2022,19(02):44-48.