地铁隧道盾构法施工模拟分析

论文摘要

进入21世纪,世界经济的迅猛发展使城市化建设得到了大幅度的提速。目前,人口不断地向城市聚集,使城市人口和建筑的密集度快速上升,造成能被利用的地面空间越来越少,因此,当今城市现代化建设的重要课题之一便是开发地下空间,为人类创造价值。但各种用途的管线被布置在地下,这便产生了在地下工程施工背景下的一种最佳方法--盾构法。为缓解南昌城市道路交通压力,改善交通环境,目前南昌地铁一号线正处于全力建设中。对于一个刚刚开展地铁建设的城市来说,需要一定的模拟分析数据来为其做一定的预测。况且随着软件技术的发展与创新,有限元模拟技术已被广泛运用到地铁施工当中。这不仅使建设人员对施工工艺和环境有更清楚的认识,并且更有利于指导设计和施工。本文以地铁隧道盾构法施工为研究对象,借助ANSYS有限元软件对其进行模拟分析,得到了一些有益的结论,为此,本文的研究内容如下：（1）利用目前的相关知识和理论提出地铁隧道建模实现方法,然后借助郑州地铁施工资料,针对现有模拟方法的不足之处提出了三点改进与其在ANSYS中的实现方法：1)注浆压力模拟形式由非均布注浆压力取代以往的均布注浆压力；2)开挖面前方土体受掌子面顶进压力作用时,土体受扰动其刚度值降低,而顶进压力由于开挖面卸荷的影响而相应改变,此时考虑土体材料性质变化时求解方式的改进；3)对等代层刚度变化的模拟改进：依据等代层刚度随时间实际变化值,更加合理准确地进行动态建模。并经过与监测数据的比较,证实了改进方法的可行性与可靠性,从而进一步地完善了地铁隧道开挖模型。（2）以即将开工的南昌地铁隧道为背景,对一号线丰和站至秋水广场站区间隧道工程进行建模计算,对以下内容进行分析：1)该工况下的地表沉降历时曲线；2)该工况下的衬砌管片应力变化情况；3)地表沉降随影响因素变化的规律；4)地表沉降对其每项影响因素的敏感程度大小。并在分析总结的基础上对南昌地铁提出建议性的措施,以对设计提供参考,指导信息化施工,起到预测的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 地铁隧道盾构法施工模拟现状与评述
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.1.1 地铁隧道施工的经验预测
• 1.2.1.2 地铁隧道施工的数值模拟
• 1.2.2 研究现状评述
• 1.3 本文研究思路及内容
• 第二章 盾构法施工及其引起的地表沉降
• 2.1 土压平衡盾构机介绍
• 2.2 盾构掘进过程介绍
• 2.3 地表沉降的表现形式
• 2.3.1 地层隆沉的发展过程
• 2.3.2 横向地表沉降
• 2.4 沉降机理分析
• 2.4.1 地层隆沉的原因
• 2.4.2 引起地面沉降的因素
• 2.5 本章小结
• 第三章 盾构法施工的三维有限元模型
• 3.1 材料性态的模拟
• 3.2 荷载的模拟
• 3.3 施工过程的模拟
• 3.4 建模计算过程
• 3.5 本章小结
• 第四章 地铁隧道盾构法施工现有模拟方法的不足与改进
• 4.1 现有模拟方法的不足与改进
• 4.1.1 对随时间变化的等代层刚度模拟的改进
• 4.1.2 考虑材料性质变化时的求解
• 4.1.3 对注浆压力模拟方式的改进
• 4.2 盾构法隧道工程实例模拟
• 4.2.1 地质数据及技术参数
• 4.2.2 计算数据的选取
• 4.2.3 ANSYS模拟计算
• 4.2.4 计算结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 ANSYS数值模拟的运用
• 5.1 南昌地铁一号线丰和站至秋水广场站区间隧道工程模拟
• 5.1.1 地质资料及技术参数
• 5.1.2 计算模型
• 5.1.3 ANSYS模拟计算
• 5.2 结果分析
• 5.2.1 盾构施工引起的地表沉降
• 5.2.2 管片应力分析
• 5.2.3 地表沉降的因素影响分析
• 5.2.4 影响地表沉降的因素敏感性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 南昌地铁隧道开挖建模命令流