基于FLAC 3D地铁盾构施工地层竖向变形研究

Engineering and Technology

第46卷第11期2019年6月基于FLAC 3D地铁盾构施工地层

竖向变形研究勾常春，李 辉，刘泓志(中交隧道工程局有限公司，北京100088)［摘 要］盾构隧道施工会对周围土体产生扰动，当土体沉降和变形过大时，会对邻近地下管线产生危害。采用统一土体移 动模型解计算盾构隧道施工引起的土体自由位移场，通过能量方法建立变分控制方程，得到盾构隧道施工引起地下管线竖向位 移的计算方法。为了预测盾构施工地铁隧道时隧道地层变形情况，采用FLAC3D岩土模拟软件对地铁穿越富水砂卵石地层进行 模拟分析，可对类似工程有所助益。［关键词］地铁；盾构；地层变形；FLAC3D［中图分垂号］TU455.43 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-523X (2019) 11-0097-02Research on Vertical Deformation of Stratum Based on FLAC 3D

Subway Shield ConstructionGou Chang-chun, Li Hui, Liu Yu-zhi［Abstract ］ Shield tunnel construction will disturb the surrounding soil. When the settlement and deformation of the soil are too large, it will endanger the adjacent underground pipelines. The free displacement field of soil caused by shield tunnel construction is solved by the unified soil movement model. The variational governing equation is established by energy method, and the calculation method of vertical displacement of underground pipeline caused by shield tunnel construction is obtained. In order to predict the deformation of tunnel formation during shield tunnel construction, the FLAC3D geotechnical simulation software was used to simulate the subway crossing the rich sand and gravel stratum, and it can help similar projects.［Keywords ］ subway ； shield ； stratum deformation ； FLAC3D1工程概况永定门外站至木樨园北站区间线路基本呈南北走向，线路 出永定门外站后延永定门外大街西侧辅路向南敷设下穿南中 轴路。区间右线总长为7.175m,区间左线总长为7.552m, 为盾构法+矿山法区间。本次模拟范围为盾构区间。1.1地质条件根据工程勘察，按成因年代分为人工堆积层及一般第四 纪冲洪积层两大层。场区地层可以划分为14层，盾构穿越土 层土体特性参数见表1。表1永定门外站地层土体特性参数序号土层细砂卵石重度

体积模量剪切模量2计算模型2.1计算原理FLAC3D软件的基本原理即是拉格朗日连续介质法釆用 了混合离散法和动态松弛法，原理见参考文献［2］。FLAC3D 可以很好模拟岩体开挖与隧洞设计中的破坏或失稳，因此选 用该软件模拟盾构隧洞开挖。2.2模型的建立考虑到为建模方便，将研究段隧道按直线段处理。模型 的范围取，长98m,宽120m,高50m,取地表为自由边界, 模型的前后尸0,尸120,模型的左右x=-58, x=40其水 平移动，地面固定，位移。本文中隧道土体的开挖釆用 空模型(Null), 土体釆用摩尔-库伦模型(Mohr-Coulomb), 盾构管片采用壳单元实体结构，采用各向同性弹性模型 (Elastic对于注浆以及浆液与土体的作用，釆用等代层来模拟，认 为受扰动范围的土体和浆液成为一体，在管片衬砌的外面形 成一个等代层。等代层采用壳单元实体结构弹性模型(Elastic). 由于盾构机在承压含水层中掘进，釆用渗流模式进行流固耦 合计算。粘聚力内摩擦角y/ (kN/m3)A/MPa328.51G/MPaC/kPa为城市轨道交通。根据实际情况，釆用盾构法施工，C50混凝土管片支护。 以地面标高为±0.000,隧道中心点埋深-25m,隧道外径6.2m, 管片外径6m,管片内径5.4m,管片每环1.2m宽，厚0.30m。 2.3计算参数选取(1) 地层参数根据表1选取。(2) 盾构管片体积模量为1.8GPa,剪切模量为1.3GPa.(3) 等代层体积模量为0.1 GPa,剪切模量为0.08GPao 2.4计算工况为了方便施工的模拟计算，每次纵向开挖模拟计算以5环 管片为一组，即每次在隧道纵向施工长度为6.0m。计算工况 分以下。(1)工况1：右线第一次掘进6m,添加等代层，管片支护。• 97 •第46卷第11期2019年6月工程技术Engineering and Technology建筑技术开发Building Technology Development（2） 工况2：右线掘进至12m,添加等代层，管片支护。（3） 工况3 :右线掘进至18m,添加等代层，管片支护。（4） 工况4 :右线掘进至26m,添加等代层，管片支护。（5） 工况5 :左线依次掘进10m, 20m,……，100m后右线 掘进6m。工况1主要是为了分析单次盾构对地层的影响，工况27 主要是为了分析盾构掘进对已经掘进隧道的影响，工况5是为 了分析双线隧道后掘进隧道开挖对已经掘邻隧道的影响。3结果分析3.1隧道掘进断面地层变形（工况1）从z向位移图（图1）可以看出工况1完成后在开挖区域 内位移和其他区域对比有明显的变化。z向最大沉降位移为 1.12mm,最大隆起为0.42mm。图1 FLAC 3D北京地铁永定门外站工况lz向位移模拟图（计算机截图）从图2可知，尸3m盾构断面处，沉降位移最大值在拱顶, 隆起最大值在隧道底部。经过数值模拟发现尸0m至尸6m盾 构隧道范围内，竖向位移变化均是这样的。图2尸3盾构隧道断面z向位移图（计算机截图）3.2隧道掘进施工对已完成隧道地层变形的影响（工况27）

工况2~4z向位移断面上空间变化与工况1 一致。从沿着y 方向上看，随着y值增加，z向沉降与隆起最大值变化如图3 所示。从图3可看出，工况1时z向变形最大，之后工况27曲 线变化趋势及变化幅度均一致。在数值大小上，后一工况较前

• 98 •一或者几个工况大。由前后工况z向变形差值曲线图（图3,4）, 可以看出，随着丿值增加，曲线在不断增加，说明盾构掘进时 候,离现状工况距离越近，现状工况对其影响越大。y值在2.5m, 8.5m, 14.5m时，曲线变的陡峭，说明盾构掘进对前一工况明 显影响是从前一工况2.5m处开始的。因此在盾构掘进过程中 要时时观察已掘进并拼装好管片隧道的变形情况，以防盾构 新掘进部分对已经掘进隧道的扰动造成管片变形等危害。3.3双线隧道后掘进隧道对已掘进隧道时影响（工况5）通过模拟左线依次掘进10m, 20m,……,120m后右线掘 进6m得出左线掘进对右线已经掘进隧道的影响。作左线掘进 后地层竖向位移（这里竖向位移均为拱顶处竖向位移）曲线（单 线掘进）与左线掘进后右线再掘进6m地层竖向位移曲线（双 线掘进）对比图，可得出左线掘进不同距离后右线再掘进6m 变化曲线变化情况基本一致。双线掘进地层竖向位移较单线 掘进竖向位移值要大。从单线掘进与双线掘进隧道竖向位移差值图得出，差值 在已经掘进部分中随掘进距离增大而不断减小后趋于平稳， 在开挖接触面差值有突变，未开挖部分基本稳定在3xl0-5m=为得到左线盾构在右线盾构已经掘进多少距离后再始发 对右线盾构已经掘进隧道地层竖向变形影响最小，作右线盾 构掘进距离处竖向位移与左线掘进后右线掘进距离位置处已 掘进竖向位移差值图可以得出，随着右线盾构掘进距离加大， z向位移差值曲线也不断减小。在右线掘进70m时变形最小。 因此右线掘进70m后再掘进左线是较合适的。4结论（1） 从工况1分析可知单条隧道盾构掘进后隧道断面拱顶 沉降值最大，拱底隆起值最大。且在盾构掘进面处竖向位移 有突变，且是突变变大趋势。（2） 工况27分析可知盾构掘进对已开挖隧道影响是从前 一工况2.5m处开始变大。因此在盾构掘进过程中要时时观察 已经掘进并拼装好管片隧道的变形情况，以防盾构新掘进部 分对已经掘进隧道的扰动造成管片变形等危害。（3） 右线新掘进盾构隧道对左线已经掘进盾构隧道有一 定影响。从已经掘进隧道地层竖向位移来看，右线掘进70m 后再掘进左线是合适的。参考文献[1] 雍朗明.富水砂层土压平衡盾构掘进沉降分析与控制[D].成都：西南交

通大学，2015.[2] Tao Wang.FLAC3D数值模拟方法及工程应用:深入剖析FLAC3D 5.0[M],

北京：中国建筑工业出版社，2015.[3] 李泽荣.地铁盾构施工引起地表沉降的数值模拟研究[D].西安：西安科

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