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地下隧道盾構(gòu)法施工具有適應(yīng)不同地層和埋深、對周圍環(huán)境的影響較小、施工的機械化程度較高、掘進(jìn)速度快、施工安全等優(yōu)點，尤其適用于城市地下開挖工程。隨著盾構(gòu)技術(shù)日益完善，土壓平衡盾構(gòu)、泥水平盾構(gòu)在歐、美、日等西方國家得到了廣泛應(yīng)用，我國目前也傾向于應(yīng)用盾構(gòu)法進(jìn)行城市地下交通施工，下面詳細(xì)介紹盾構(gòu)法的有限元分析方法。
過江隧道采用泥水盾構(gòu)法施工，線路走向主要受兩端線路疏解制約，受到多處建筑物和地下管線的影響。盾構(gòu)施工對這些建筑物和管線產(chǎn)生影響的程度和范圍，及如何采取有效得保護措施，是需要切實解決的問題.盾構(gòu)施工中最關(guān)心的問題之一是施工對周圍環(huán)境的影響，主要是地層運動的影響。國內(nèi)外地下工程界對此非常重視，進(jìn)行了深入的研究，其中最有影響的是：Peck提出了計算地下開挖導(dǎo)致的地表沉降分布的經(jīng)驗公式；同濟大學(xué)和上海市政局根據(jù)多年來盾構(gòu)施工實踐的資料對Peck公式進(jìn)行了研究，分別提出了考慮土體擾動后固結(jié)沉降和地層損失概念的修正Peck公式；駱建軍等通過對現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，給出有限元法的特征曲線解析。
盾構(gòu)施工過程中的地表沉降是由隧道埋深、地層條件、盾構(gòu)機型、施工工況等多種因素造成的，不同地域的結(jié)果差別較大。在中國，盾構(gòu)機的應(yīng)用及研究主要集中在上海，研究成果也主要針對上海的地質(zhì)條件和土壓平衡盾構(gòu)等特點，同時國內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)施工對地層影響的研究還限于一般地鐵隧道施工引起的地面沉降的預(yù)測與研究。本研究從保護建筑物的角度出發(fā)，研究越江公路隧道盾構(gòu)施工導(dǎo)致的地層水平位移，這在國內(nèi)尚未見報道。
總應(yīng)力分析法和有效應(yīng)力分析法是巖土工程中兩種最基本的分析方法。從應(yīng)用上來說，總應(yīng)力分析法一般用于不考慮滲流固結(jié)的情況，對于盾構(gòu)推進(jìn)的施工過程，土體的應(yīng)力和變形分析屬于短期變形，因此本研究采用總應(yīng)力分析法。在盾構(gòu)隧道開挖過程的模擬中，土體與襯砌結(jié)構(gòu)的相互作用采用接觸面模擬，接觸作用采用摩擦硬接觸。在實際工程中土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非常復(fù)雜的，本研究采用以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則的彈塑性模型，用有限單元法分析彈性薄殼，有兩種不同的途徑：一種是用薄單元組成的折板系統(tǒng)代替原來的薄殼，由平面應(yīng)力狀態(tài)和板彎曲應(yīng)力狀態(tài)加以組合而得到薄殼的應(yīng)力狀態(tài)；另一種是直接采用曲面單元，根據(jù)殼體理論推導(dǎo)單元剛度矩陣，本研究分析襯砌時采用后一種方法。
應(yīng)用ABAQUS軟件模擬雙線平行隧道開挖，兩隧道中心距離為16.322m，模型的1方向取120 m，2方向取60 m。土體采用平面應(yīng)變4節(jié)點等參單元，管片采用平面應(yīng)變4節(jié)點減縮積分非協(xié)調(diào)單元。土體單元數(shù)為1048，節(jié)點數(shù)為1153，管片單元數(shù)為48，節(jié)點數(shù)為96。針對不同地層損失率VL(VL分別取為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)進(jìn)行模擬。模擬中的開挖外徑Dt按公式π4(D2m-D2t)/π4D2s=VL計算，得Dt分別為11.0294、11.0588、11.0880和11.1173 m，開挖直徑Dm=11.69 m，襯砌外徑Ds=11 m.對隧道埋深H取13.77 m(其他埋深的網(wǎng)格圖略)、20.77 m、27.77 m和34.77 m時的情況進(jìn)行模擬。
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