盾构穿越施工对既有隧道影响的数值模拟与分析

摘要

随着地下铁路的快速发展和地铁网络的不断完善，数量众多的线路之间不可避免出现隧道交叉穿越、相互平行、叠层等复杂的施工工况。新建隧道穿越既有隧道施工过程中，通过引起土层的变形和应力重分布，使原有隧道结构产生附加应力和应变。同时，由于既有隧道的修建已使土层的初始应力场发生改变，新隧道穿越施工会再次对土层应力场产生扰动，其对既有隧道的影响已不能在原有力学环境下进行计算；这使问题变得复杂而且难以准确预测，因此穿越过程中新建隧道对既有隧道结构影响的预测和控制已成为工程界中十分关注的问题。
　　本文以新建隧道上下交叉穿越既有隧道工程为研究背景，利用有限元软件建立三维实体开挖模型，分析新建隧道穿越施工对既有隧道的影响，并讨论下穿施工中土层的注浆加固范围对既有隧道沉降的影响。主要内容及结果如下：
　　（1）依据有限元法和非线性分析理论，建立土体、既有隧道及新建隧道共同作用的三维盾构开挖模型。该模型综合考虑了初始地应力平衡、开挖面支护力、盾后注浆及其硬化过程等因素的影响，有效地模拟盾构隧道开挖过程。在此基础上分析穿越施工对既有隧道的沉降影响，得出既有隧道的沉降与挖掘进度的变化规律，且该规律与相关文献中的规律相符合，验证了该模型的可行性。
　　（2）在以上三维盾构开挖模型基础上，分析既有隧道在上下穿越过程中受到的扰动，得出不同穿越顺序对既有隧道的扰动存在一定的差异，并比较“先下后上”和“先上后下”两种穿越顺序施工中既有隧道的沉降及内力变化，得出后者施工工序更优。
　　（3）对案例工程中的下穿施工过程进行分析。通过改变加固区域材料属性的方式模拟注浆加固，对X、Y、Z三个方向进行组合加固，研究三方向加固范围对既有隧道沉降的影响。通过对比分析不同加固范围下既有隧道的沉降，得出三个方向加固范围对既有隧道的加固效果也存在明显差异，根据其变化得到合适的加固范围。
　　（4）根据水平间距为3～11m的平行双下穿既有隧道有限元模型，探讨了不同水平间距的双下穿隧道对既有隧道的扰动问题，总结了既有隧道的沉降、轴力和土层塑性区域分布的变化规律；并根据该变化规律得出“下穿隧道的水平间距对既有隧道的影响显著，随着水平间距的增大，既有隧道受到的扰动逐渐减小”的结论。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外现状

1.3 本课题研究的主要内容

第二章 盾构施工的影响机理

2.1 隧道开挖引起的地层位移研究

2.2 盾构隧道施工的力学机理

第三章 盾构隧道掘进有限元数值方法

3.1 引言

3.2 ABAQUS软件介绍

3.3 盾构隧道开挖数值模拟方法

3.4 土体的本构模型

第四章 盾构隧道穿越施工影响的数值模拟

4.1 工程概况

4.2 计算模型的建立

4.3 “先下后上”穿越方式计算结果和分析

4.4 “先上后下”穿越方式计算结果和分析

4.5 两种穿越方式对比

4.6 本章小结

第五章 盾构隧道穿越施工参数分析

5.1 引言

5.2 不同加固范围对既有隧道的影响

5.3 不同水平间距对既有隧道的影响

5.4本章小结

结论与展望

展望

参考文献

声明

致谢