地铁隧道引起地面变形的数值分析方法 - 北京市勘察设计研究院.PDF

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地铁隧道引起地面变形的数值分析方法 1. 本项目的研究目的和内容 本项研究的最终目的在于提供解决隧道工程设计、施工过程中所遇到的复杂岩土工 程问题的工程数值模拟方法,预测施工风险,从而规避风险,达到信息化施工的目的, 保证工程的经济性和安全性。 数值模拟分析可以模仿真实的隧道开挖过程进行分析。也就是对隧道开挖所涉及的 围岩及其相邻的结构体(支护结构)以及开挖这种力学行为、力学特性、对岩土体地质 构造特征以及对隧道施工过程进行全面的、逼真的数学上、力学上的计算机数值模拟分 析。 在隧道工程中采用数值模拟分析的基本思路是:通过可调控的数理模型、几何模型、 力学模型以及数值方法描述隧道工程施工过程中施工方法(盾构、矿山、新奥等等)、 施工顺序对周围岩土介质力学特性、结构特征的影响,以及围岩的力学特性、结构特性 的变化,对施工方案、措施的反影响,以便于确定出施工过程中任一部位、任一时刻的 变形场、应力场、稳定性与安全度,为优化地铁隧道工程设计、施工方案,提供接近真 实的,定量的科学依据。 本次研究的重点之一在于,通过比较目前存在的多个岩土体的本构模型,选取适合 北京地区土质条件的力学模型,然后基于北京地区的工程地质特点,确定其关键参数的 选取方法。在选定过程中,不仅需要考虑模型自身的特点,还需要考虑其简单易用性, 参数的可获取性,以便于应用于工程实际,以适应快速得到分析结果的工程要求。基于 我院长期在北京地区进行岩土工程实践的经验,对模型中关键的强度与变形计算参数提 出确定方法,以求得尽可能和实际接近的结果。 本次研究的重点之二在于,寻求合理的采用数值分析软件模拟施工手段(开挖、施 加支护)的方法。开挖步序以及不同支护作用的真实模拟是本次研究的难点,特别是对 于矿山法和盾构法施工。同时寻求合理的简化模拟方法。本质上本研究是一个三维问题, 但是由于三维分析花费高,耗时长,为了满足工程的需要,本次研究将寻求将三维问题 转化为二维问题的合理方法。常用的“收敛限制法”(或称“应力消除法”)和“逐步软 化法”是目前可以考虑的模拟简化方法,但其具体实现问题还需要进一步研究。 本次研究的重点之三在于,如何通过数值分析工具中所有的各类结构单元模型模拟 各类结构,包括上部建筑物(主要是结构刚度问题)、桩基、隧道衬砌、各类加固措施 (如注浆、小导管、管棚等等)。 2. 本项目的主要成果 本项目基于北京地铁建设所提出的岩土工程问题进行研究。借助先进的数值分析方 法解决常规方法所无法考虑的多种复杂因素的影响,取得了以下几个方面的主要成果或 结论: (1)本项研究建议选用岩土工程中常用的土的摩尔库仑模型,近似考虑土的弹塑 性特性。 (2 )本项目对摩尔库仑模型中所需要的计算参数进行了研究,引入了我院在这方 面长期的经验。对变形模量、回弹模量、强度参数(粘聚力和内摩擦角)等的具体取值 给出了适用于北京地区工程地质特性的建议。 (3 )本研究对隧道施工的开挖模拟方法进行了探讨,对应力释放率等模拟参数进 行了研究,取得初步经验。 (4 )研究了隧道施工引起地层位移的基本规律,提出了开挖不均匀收敛的模型, 以及衬砌受压变形引起的地层位移机理,对地层位移变形的机理有了进一步的认识。 (5 )定量研究了隧道施工引起地层位移的各种影响因素的影响规律,所考虑的因 素包括隧道直径、隧道埋深、土的变形参数、土的强度参数等等。同时还研究了上述各 个因素对沉降槽宽度的影响作用。所取得的基本结论可以直接用于指导设计和相应的风 险评估。 (6 )通过对建筑物和桩基数值模拟方法的研究,基本明确结构与隧道共同作用中 结构的数值分析方法,为工程中分析两者的相互作用提供定量的依据,初步总结出一套 适用于分析北京地区结构与隧道共同作用的数值分析方法。 (7 )在分析结构与隧道的共同作用时,对建筑物的模拟主要是对其结构刚度的模 拟,要根据建筑物的结构类型和基础类型进行结构刚度的估算,再按照“等效刚度”的 简化原则,将整体的结构刚度等效到结构单元(梁或壳单元)上,并通过增大单元厚度, 调整刚度来反映结构的整体刚度。本次对不同的基础结构类型(筏基、箱基)提出了经 验的刚度确定方法。 (8 )对于桩基与隧道的共同作用分析中,主要是分析隧道施工对已有桩基的变形 影响问题或承载能力某种程度上的部分损失,一般不至于涉及桩基的极限承载力问题, 所以,可采用FLAC 中自有的桩单元,根据工程中桩的类型来模拟摩擦桩或端承摩擦桩, 并应用本文的研究成果给定桩单元模型参数

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