西安盾构法施工引起的地面沉降有限元分析

2022-09-11

本文以西安地铁尤南区间施工段为背景, 通过现场勘测地质资料, 分析施工过程对地层的整个扰动主控因素、产生机理及空间分布特征;并根据工程实际, 利用通用有限元程序A N S Y S建立隧道开挖的三维有限元模型, 计算不同影响因素下的地面沉降情况[1,2]。综合考虑了土体分层、材料的非线性、盾构密封舱内土压力等因素。分析平衡压力不同时地面沉降的情况, 给施工中平衡压力的选择提供依据;分析整个施工过程地面沉降和水平位移的变化规律;不同埋深处地面沉降和水平位移的变化规律;开挖前、开挖中、开挖后对地面点的沉降和水平位移影响规律[3,4,5,6,7,8]。

1 地面沉降数值模拟分析

1.1 土压平衡盾构推进过程模拟时的实现

(1) 开挖一环土体杀死要开挖部分的单元来实现 (这环土体编号为n环)

(2) 施加工作面稳定的平衡反力:在开挖土体的前方 (n+1) 施加面力。

(3) 盾构前行:激活和开挖n环盾构壳体单元。同时杀死原来激活的盾构壳单元 (n~1环) 。

(4) 背后喷浆, 施作衬砌:改变浆液单元 (n~1环) 的材料的参数;激活衬砌 (n~1环) 单元, 改变此单元的材料参数。

(5) 释放 (n~2) 环的25%应力:给 (n~2环) 施加向洞内25%的力。

(6) 释放 (n~3) 环的75%应力:给 (n~3环) 施加向洞内75%的力。

以后的开挖依次类推。

(7) 用实体单元来模拟一般的支护结构, 在合适的载荷步中对先前挖掉的“空气单元”利用重新赋予材料属性的功能来实现, 即“重新活化”法[5]。

1.2 有限元模型及网格划分

以西安地铁二号线尤南区间现场地质资料为依托, 来建立计算模型[6]。有限元模型整体尺寸分别确定为:沿盾构隧道掘进方向 (纵向) 尺寸为36m (共计30环管片, 每环1.2m) , 横向尺寸为60m, 垂直方向上根据西安地铁二号线盾构区间的埋深情况, 选取覆土厚度为11.65m, 而向下则选取16.65m地层厚度, 最终达到33m的垂直方向总尺寸, 三维网格经过优化后的有限元网格共有23077个单元, 23250个节点。

1.3 模拟结果分析

(1) 盾构作用于掌子面前方平衡反力不同地面各点沉降比较。

为了消除边界效应的影响, 取开挖20环处的结果进行比较:盾构作用于掌子面前方四种平衡反力情况下最大沉降, 当平衡反力取50k Pa, 100k Pa, 150k Pa时, 最大沉降量为~0.0569m、~0.0342m、~0.0256m;当平衡反力取250k Pa时, 地面隆起, 选取50k Pa时沉降就超出了规范要求的范围, 150k Pa时沉降比较合理。

(2) 24m (即开挖第20环) 处不同开挖步骤地面 (y=0) 各点沉降, 水平位移变化。

考虑到边界效应的影响, 取开挖进行到24m处来进行研究, 不同开挖步骤地面最大沉降值, 横断面上各点的水平位移计算如表1所示。

(3) 开挖24m处横断面不同埋深处的沉降, 水平位移对比分析。

仍然取覆跨H/D=0, H/D=0.2、H/D=0.9、H/D=1.3, H/D=1.7进行研究, 不同埋深处沉降量, 水平位移如表2所示。

2 结语

基于以上的有限元分析和现场实验数据, 给出以下建议。

(1) 建议平衡反力采取150k Pa。

(2) 纵向沿线分析:最大沉降点在拱顶对应的地面点处, 隧道两侧4D范围内, 为2.28cm;最大水平位移点发生在隧道两侧6m处, 为1.88cm。

(3) 横断面分析:呈近似正态分布的趋势, 拱顶处的沉降最大, 随着埋深的增加沉降槽宽度逐渐减小, 沉降最大值为4.7 2 4 2 c m。地面水平位移的影响范围是隧道中线两侧15m, 最大水平位移发生在隧道两侧为1.5 8 c m。

摘要：本文运用有限元基本原理, 利用大型通用有限元软件ANSYS对西安地铁尤家庄到南康村站隧道区间段进行数值模拟, 分析对开挖面施加不同平衡反力时沉降的变化情况, 建议西安地铁施工时将其控制在100kPa～150kPa范围内。分析了不同开挖时间地面各点沉降和水平位移变化规律;埋深不同各点的沉降和位移的时间历程变化规律;横断面埋深不同沉降和水平位移的变化规律。

关键词：地铁,盾构法施工,ANSYS,注浆量,沉降量