摘 要

本文通过应用ABAQUS有限元程序，研究土压平衡盾构机在均质土体中推进时，推顶力对于地面沉降的影响的研究。在模拟过程中，采用生死单元法模拟隧道开挖过程。通过分析不同埋深，不同工况作用下的沉降的结果，得出推顶力和沉降之间的关系。发现在施工的过程中，沉降变形较大的区域集中在端部。在开挖隧道上部发生向下沉降，下部发生向上拱起位移。且埋深越大，在施工过程中，对于地表面沉降的影响越小，地表面沉降还与推顶力的大小有关。本研究结果可为盾构隧道施工工程中的沉降控制提供参考，对于施工安全以及对周边正常公共社会秩序的影响控制具有较大意义。

关键字： ABAQUS CAE, 单元生死法， 地表沉降， 推顶力，盾构机， 摩尔库伦弹塑性土体本构模型

Abstract

In this paper, by using the ABAQUS finite element program, the study of the influence of the pushing force on the ground settlement of the earth pressure balance shield machine in the homogeneous soil is studied in this paper. In the process of simulation, the method of element birth and death technology is used to simulate the process of tunnel excavation. Through the analysis of different buried depth, the results of the settlement under different working conditions, the relationship between the pushing force and the settlement is obtained. Found in the construction process, the settlement deformation of the larger area concentrated in the end. In the excavation of the upper part of the tunnel downward settlement, the lower part of the upward displacement of the arch. And the deeper the depth, in the construction process, the influence of surface subsidence, the smaller the surface subsidence is also related to the size of the pushing force. The results of this study can provide reference for settlement control of shield tunnel construction project, which has great significance to the construction safety and the control of the surrounding normal public social order.

Keyword: ABAQUS CAE, element birth and death technology, surface subsidence, TBM-EPB, Mohr-Coulomb constitutive model

目录

第1章 绪论 1

1.1发展前景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究目的及意义： 2

1.4理论基础 3

1.4.1隧道及地下工程的有限元分析 3

1.4.2盾构施工方法 4

1.4.3关于有限元模拟的一些近似处理： 5

第2章 有限元分析模型及土体参数 7

第3章 ABAQUS有限元建模过程 10

第4章 计算结果分析 12

4.1 数据结果的处理 12

4.2 埋深相同时推顶力变化地表面沉降规律 13

4.3 其他关键点的位移分析 13

4.4 地表面位移值随推顶力的变化 14

4.5 发生较大位移区域的分布特性 16

4.6 掌子面位移特征与推顶力的联系 17

第5章 计算结果的力学原理 18

第6章 结论与展望 19

6.1 结论 19

6.2 展望 19

参考文献： 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1发展前景

中国是个人口大国，地广人稠，人口分布不均是我国的社会现状。在一线城市例如北京、上海，繁华地段常常有寸土寸金的说法。传统的地面交通已经难以满足正常的社会运行需要，故地下交通就成为了交通发展的新的方向。在城市中，地下交通的施工需要开挖隧道，施工过程对于社会正常运行会造成一定的影响，故研究施工过程中的不利因素，可以有效的提出解决方案，为地下交通建设的发展提供巨大助力。

盾构隧道施工具有开挖安全，掘进速度较快，人工劳动强度较低，对周围环境影响较小的特点，比较适合于大埋深长隧道的施工。因此盾构法施工是当前非常受欢迎的施工方法，对于发展地下交通具有重大意义。

盾构施工技术于1974年问世，并且在近几年传至国内并得到了广泛的应用。相比于传统的施工方式，盾构法施工的施工方式具有较大的优势，但是盾构法也有其自身局限性。盾构隧道尺寸变化灵活度较小，跟盾构机尺寸密切相关。盾构隧道施工成本相对较大，且不适合于浅埋深隧道施工。

研究盾构隧道施工过程的对于周围环境的影响意义重大，对于正常安全生产施工以及公共设施影响控制能够提供巨大帮助。

1.2国内外研究现状

目前国内外对于盾构施工的沉降研究有很多的成果，多是针对地铁的研究，有做长期地面沉降的，有的是在特殊土层环境下的沉降研究以及针对临近建筑物的保护研究。占善新，亢晨刚等人，基于Rankine的主动和被动土压力理论,采用解析方法建立了合理确定EPB盾构机工作面压力方法,给出了EPB(Earth Pressure Blance)盾构机随埋深和土体力学参数的变化关系^[1]。 罗云峰对广州地铁2号线某区间盾构隧道施工过程的地面沉降监测数据进行分析，探讨了盾构施工过程地表沉降规律及其影响范围和程度，包括沉降槽分布形式、沉降随时间发展规律、沉降量概率分布的统计分析等，并用数学函数加以表达^[2]。 黄金林，对隧道盾构施工的过程中产生的沉降进行的探究,并将沉降槽偏移参数引入到Peck 公式中。通过实测结果，比对不同埋深下的沉降槽的特点,利用数学方法对沉降槽的分布范围，数值大小分布特点等因素进行了探究^[3]。 郅彬,杨更社，以隧道上覆土压力为研究对象,对隧道上覆土压力的3种经典计算方法进行了分析，其研究结果分析认为松动土压力理论比较适合浅埋隧道问题中的上覆土压力的计算;确定了盾构开挖面上覆土体松动区域^[4]。代坤 ,徐东亮 ,王旭对盾构施工过程中，地表面沉降收到的影响进行了研究,并结合某地铁隧道的项目的工程数据,对比分析了盾构推进过程中地表处土体的位移和变形以及沉降分布规律,发现地铁隧道横向地面沉降分布曲线与实际沉降接近^[5]。Comodromos, E. M., Papadopoulou,M.C.,and Konstantinidis,G.K.做了对于地下连续墙安装对周边土壤及相邻建筑物的影响的研究^[6]。 Klar, A., Dromy, I., and Linker, R.通过利用分布式光纤传感监测隧道引起的地表位移^[7]。 Nagel, F., and Meschke, G.做了关于盾构机周围膨润土绕流的数值模拟计算分析^[8]。 张利民，李大勇运用有限差分软件FLAC3D对盾构掘进工程进行了数值仿真,综合考虑了盾构机、注浆压力、土仓压力等因素,得到了地表沉降槽和土体纵向位移分布的变化规律^[9]。 张远荣,朱国甫,王凯采用三维非线性有限元法模拟了广州地铁某双圆盾构隧道试验段的实际施工过程，计算得到了地表沉降、土体内部变形、地基应力等结果，分析后得到了一些有益的结论，为完善盾构施工技术提供了计算依据^[10]。 魏纲，周洋，魏新江对盾构施工引起的隧道轴线上方土体超孔隙水压力和工后地面沉降进行研究，提出盾构隧道施工引起的土体应力释放率计算方法。基于Henkel超孔隙水压力理论，推导与隧道衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力值。假定与衬砌相邻的各点具有相同的应力释放率，得到隧道拱顶处土体的超孔隙水压力计算方法^[11]。 Emilios M. Comodromos; Mello C. Papadopoulou; and Georgios K. Konstantinidis, Ph.D.提出一个对于土压平衡盾构机掘进双隧道过程的三维数值模拟模型，将所有相关因素都考虑在内，并研究土压平衡盾构掘进方式中的参数对于地面沉降的影响^[12]。 上海理工大学土木工程系的徐前卫，朱合华，所做的关于均匀软质地层条件下土压平衡盾构施工的合理顶进推力分析就是通过应用数学和力学方法，根据土压平衡盾构掘进施工的实际的开挖切削土体的工作原理，探究合适的推顶力的计算方式以及推顶力产生的影响。开展土压平衡盾构的掘削模型试验，结合地铁隧道工程实例，利用模型及函数计算公式，来对盾构推进过程中的推顶力进行预测^[13]。 鲁贵琴，张斌，刘国庆，结合弹性力学Mindlin解，运用边界单元法推导了施工过程中，盾构隧道的掌子面法向推力引起的周围土体附加应力计算公式^[14]。 郭庆华，李彦，以广州市各种疑难地层的实际工作环境作为工况，发现总结了盾构机推进过程中遇到的阻碍因素,并提出了相关的解决技术措施^[15] 。但是有关于盾构施工中，推顶力与地面沉降之间关系的研究还不够充分。本文任务是通过有限元法进行研究分析不同推顶力下的沉降规律。

1.3研究目的及意义：