郑州环线盾构施工关键技术-有限元数值模型

1.基本假定

由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，在本次数值模拟中采用了以下假设：

（1）围岩材料为均质、各向同性的连续介质。

（2）隧道的受力和变形按平面应变问题进行计算。

（3）在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响。

（4）管片按均质弹性圆环模拟，考虑管片接缝的刚度折减系数η=0.8。

2.模型简化介绍及计算参数选取

采用MIDAS-GTS 软件对盾构隧道通过圃田西站铁路进行三维数值模拟分析。根据出入段线盾构隧道与陇海铁路的空间位置关系，建立三维有限元计算模型。

现选择地层范围为：隧道结构外左右两侧范围取6 倍左右洞径，即模型X 向范围为100 m；区间隧道结构底板下方取5 倍左右洞径，即模型Z 向范围为60 m。模型尺寸为：Y×X×Z＝长×宽×高＝100 m×150 m×60 m。

假设围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb 屈服准则，单元类型全部采用8节点六面体三维实体单元和4 节点四面体三维实体单元，共划分69 852 个实体单元。

围岩和铁路路基均采用实体单元模拟，计算中赋予弹性材料的属性。盾构隧道管片采用板单元模拟。

数值模型计算时，选取如下边界条件：平面限制其X 方向的位移；平面限制其Y方向的位移；限制其Z 方向的位移。

本次计算中处自重外，在地面上尚需考虑列车荷载，列车荷载采用客货共线一般荷载和特种活载模式，如图6.2.1～6.2.2 所示。管片厚度350 mm。

图6.2.1　ZKH 一般荷载模式

图6.2.2　ZKH 特种活荷载模式

岩土体物理力学参数采用地勘建议的物理力学参数表（见表 6.1.2），考虑刚度折减，盾构管片采用C50 钢筋混凝土。

注浆考虑采用水泥单液浆对路基进行加固，通过注浆，减小土体间的孔隙率，使土体并使浆液与土体形成复合地基，从而提高土层的黏结力（C）、内摩擦角（φ）值，使盾构施工对铁路线路的影响减小到最低。建模时，通过提高加固体的物理力学参数来模拟注浆加固的作用。

1）计算模型

建立的有限元模型如图6.2.3～6.2.4 所示。

图6.2.3　盾构下穿铁路模型

图6.2.4　计算模型

2）工况模拟步骤(www.xing528.com)

出入段线下穿铁路施工步序设定为盾构通过前注浆加固隧道上方地层，左线隧道开挖应力释放、同步注浆、左线管片衬砌、管片脱出盾尾，在左、右线开挖间隔一定的距离后，右线隧道开挖应力释放、同步注浆、右线衬砌、管片脱出盾尾。各工况模型如图6.2.5～6.2.16 所示。

图6.2.5　工况1

图6.2.6　工况2

图6.2.7　工况3

图6.2.8　工况4

图6.2.9　工况5

图6.2.10　工况6

图6.2.11　工况7

图6.2.12　工况8

图6.2.13　工况9

图6.2.14　工况10

图6.2.15　工况11

图6.2.16　工况12