《盾构隧道下穿摩天轮时的地表沉降数值模拟》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

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盾构隧道下穿摩天轮时的地表沉降数值模拟

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沈光磊

摘要：地铁隧道一般位于城市比较发达的区域，新的地铁隧道不可避免会侧穿（直穿）大型建筑物、构筑物基础。因此，在进行盾构隧道施工时，地表沉降控制是施工质量的一种体现。同时，地表沉降也关系到上部建筑物（构筑物）的安全。本文将摩天轮基础一定范围内土层假定为均质弹塑性体、管片假定为理想弹性体，基于Mohr-Coulomb屈服准则理论构建了盾构隧道下穿摩天轮基础的二维模型，运用ABAQUS有限元软件研究了盾构隧道下穿摩天轮地表沉降问题。

关键词：盾构隧道;地表沉降;数值模拟

中图分类号：TU921文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0103-03

Abstract： Metro tunnels are generally located in relatively developed areas of the city， and new subway tunnels will inevitably cross （through） large buildings and foundation of structures. Therefore， during the construction of shield tunnels， the control of ground settlement is a manifestation of construction quality. At the same time， the surface settlement is also related to the safety of the upper buildings （structures）. In this paper， the soil layer within a certain range of the Ferris wheel foundation was assumed to be a homogeneous elastoplastic body， and the segments were assumed to be an ideal elastic body， based on the Mohr-Coulomb yield criterion theory， a two-dimensional model of the shield tunnel passing through the ferris wheel foundation was constructed， and the ground settlement problem of the shield tunnel passing through the ferris wheel was studied by using ABAQUS finite element software.

Keywords： shield tunnel;surface subsidence;numerical simulation

随着城市的发展，交通起到越来越重要的作用，原来的公路不能再充分满足城市居民的交通需求，因此，高架桥、地铁轨道交通呈现快速发展的趋势。地铁隧道一般位于城市比较发达的区域，新的地铁隧道不可避免会部分侧穿大型建筑物、构筑物。隧道的修建也不可避免地对土有一定的扰动，原有的应力平衡将会被打破，因此研究因修建隧道造成附近建（构）筑物的沉降具有一定的工程实践意义。

当前，诸多研究[1-5]基于Mohr-Coulomb屈服准则或Drucker-Prager屈服准则，采用FLAC3D软件模拟分析了各种隧道施工引起地表的沉降。文献[6-8]采用ABAQUS模拟分析了各种隧道施工引起地表的沉降。本文基于弹塑性理论构建了盾构隧道下穿摩天轮模型，应用Mohr-Coulomb屈服准则并采用有限元软件ABAQUS模拟盾构隧道下穿摩天轮时的沉降，考虑了在不同荷载工况下隧道施工对地表沉降的影响。

1 工程概况

郑州地铁4号线工程货栈街站～航海东路站区间右线YDK23+530.984～YDK23+575.984（576～606環）为世纪欢乐园摩天轮桩基础范围，其中世纪欢乐园摩天轮桩基距离右线盾构区间最近距离为5.513 m（第591环），距离左线盾构区间最近距离为3.662 m。

货栈街站～航海东路站右线区间侧穿世纪欢乐园摩天轮时采用Ⅰ型管片（共计30环），盾构法施工采用预制钢筋混凝土管片进行错缝拼装，管片外径为6.2 m，内径为5.5 m，宽为1.5 m，双面楔形量为40 mm，管片混凝土标号为C50，抗渗等级为P12。

世纪欢乐园摩天轮高为88 m，摩天轮基础采用了人工挖孔灌注桩基础，桩入土深度为10 m，桩径为1 m，隧道埋深约为11 m，地质以细沙层为主。隧道区间与摩天轮桩基距离较近，右线最近处为5.513 m，左线最近处为3.662 m。世纪欢乐园摩天轮基础与隧道位置关系如图1所示。

2 数值模拟分析

2.1 无摩天轮荷载时沉降分析

采用ABAQUS模拟盾构隧道施工下地表的沉降，为节约计算时间与计算成本，本文采用二维建模进行数值模拟。由于该盾构区间主要穿越地层为黏质粉土与细沙，为简化计算，土的模型不再分层。经设置，土体为大小72 m×26.2 m矩形，隧道直径为6.2 m，管片外径为6.2 m且内径为5.5 m。忽略注浆层厚度，并采用软化模量法[9]模拟隧道开挖（软化模量法是指在衬砌施工前将开挖区单元的模量降低来模拟应力释放效应，本文将开挖区单元模量减小40%）。模型中，土与管片的物理性质如表1、表2所示。

定义土体下方约XY方向位移，约束土体两侧Y方向位移;网格单元形状为四边形，采用中性轴算法和自由方式划分网格;单元库采用Standard，几何阶次为线性，元素为CPE4R（四节点双线性平面应变四边形单元，减缩积分，沙漏控制）。网格划分结果如图2所示。

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