有限元分析在隧道施工中的应用
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摘要
TBM全断面施工是现阶段特别是地铁隧道施工的重要方式之一，其速度快，成型好，支护及时，得到广泛的应用。隧道的开挖方式和支护永远是隧道施工的重点话题。隧道类型分为很多，大体上可以分为山岭隧道，浅埋隧道以及水下隧道。在条件允许时，TBM都可以用作以上隧道的主要施工方式。而在城市隧道施工过程中，由于一般城市隧道埋藏较浅，而且上层多有建筑物覆盖，所以施工要求较高，一般选取TBM活着浅埋暗挖法进行施工。而由于浅埋暗挖法施工工期长，施工难度大，故TBM施工称为首选。MIDAS gts是专门针对岩土问题，主要是基坑，隧道，边坡和渗流，都能进行有效分析计算的商业有限元软件。在此选取某市政工程的地铁隧道施工，利用MIDAS GTS进行施工阶段模拟。 关键词：TBM，midas gts,隧道
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盾构法施工简介
TBM（Tunnel Boring Machine）-----全断面隧道掘进机，掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，在中国水利、水电、交通、矿山、市政等隧道工程中应用正在迅猛增长。软岩TBM适用于软弱性围岩施工的隧道掘进机，是目前城市地铁建设中速度快、质量好、安全性能高的先进技术。采用盾构机施工的区间隧道，可以做到对土体弱扰动，不影响地面建筑物和交通，减少地上、地下的大量拆迁。这两种设备的技术开发与应用，在我国地下工程领域具有十分广阔的前景。 TBM施工的优点：
（1）快速。TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴 、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。
（2）优质。TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。
（3）高效。TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。
（4）安全。用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。
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（5）环保。TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境； 如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。
（6）自动化、信息化程度高。TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。
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TBM隧道开挖有限元分析
一，研究目的
1，熟悉有限元建模，求解，分析结果能力 2，能够利用GTS进行有限元分析 3，加深对网格划分的理解，熟悉施工过程
二，建模过程
1，参考实际工程，在CAD上做出二维图形
图2-1
TBM的开挖方式一般针对隧道位置较深，岩体强度较好的围岩。一般规定隧道的埋深要大于等于隧道的直径。此处的模型为穿土层隧道，埋深略低。前后为自由面，无约束。 2，导入MIDAS GTS
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图2-2
导入过程中，同时进行交叉分割曲线。 三，生成实体
图3-1
由于前后为自由约束，没有土层的位移和压力约束，所以建模时候经二维拓展成三维实体时候，尽量要按照实际工程的操作，这样进行荷载设定的时候，才更加
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真实和精确。
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生成实体后，接着进行隧道实体嵌入及隧道实体分割。因为TBM的工作原理是分段施工，故施工建模时候，把隧道分割成6段，方便进行施工过程模拟。分割隧道实体，同时分割相邻围岩，因为施工过程会对相邻岩体有扰动影响。 3，进行材料属性定义
在属性定义中，隧道实体和土实体都定义为实体。由于是浅层土体开挖且土层质量较好，故直接应用初支支护，而不再定义锚杆。
图3-2
4，网格划分
对于隧道而言，整体隧道属于受力比较复杂的实体，所以增大网格密度，采取自由网格划分。
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图3-3
而对于土体，由于在其中间开挖隧道，故对土体上层和下层的土体扰动较大，故在划分网格前应该先进行网格尺寸控制，隧道正上方和正下方的线网格应该密集播种，这样才能在进行有限元计算中结果比较精确。
图3-4
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5，生成面网格
在施工中，经过TBM的开挖后，需要进行支护，也就是初支。初支的网格单元是由实体析取而成，其网格密度基本和隧道网格密度相同。
图3-5
上文中已经说过，由于开挖方式以及土体自身原因，仅仅进行初支就可以，不再进行锚杆支护，故初支即为全部的支护形式。而隧道的施工过程即为边开挖边支护，开挖后及时支护的开挖方式。 6，施加荷载以及位移约束
对于隧道而言，荷载分为两部分。第一部分为土体和隧道的自身重力，第二部分为地面条件所施加的超载。
而位移约束，由于土体的自然性质，在隧道左右方向以及下方都有其他土体对本模块的位移约束。但是由于前后是出入口，故前后土体没有位移约束，故不对其进行位移约束的施加。
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图3-6
7，定义施工阶段，分析
施工阶段的定义分为两部分。第一部分是地应力的计算，即在未开挖之前，计算整个土层的地应力，由土体自重决定。第二部分是开挖时候应力分析，是由于开挖时候土体受扰动导致的应力重分布。
四，结果分析 1，初始阶段
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图4-1
自重应力，又称为常驻应力，指的是在未修建筑物之前，土体本身重量引起的应力。初始阶段，隧道还没有开挖，整个土体未受扰动，土的压缩性较大，为多孔介质，弹性材料，本身具有压缩性所以在自重的作用下，整个应力的分布呈现分层分布。 2，开挖阶段
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图4-2
图示所示为第一阶段的全断面开挖的三维应力变形图。在盾构机开挖后，由于隧道部分土体缺失，造成周围土体扰动，则发生应力重分布，故上层土质下沉，而下层土质由于开挖原因，地应力得到释放，应力表现如上图。
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图4-3
上图为隧道开挖的第二阶段。第一阶段土体已经被开挖而走，故立即进行初支支护，在支护后，围岩圈应力重新达到稳定状态，整个土体的应力重分布完成。在支护的同时，进行二阶段隧道的开挖，所以在二阶段隧道的上下方位，土体又受到扰动作用，整个应力稳定状态被重新打破，应力发生改变。而在进行二阶段支护后，土体的应力会重新达到稳定状态。
结论和自我总结
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TBM全断面开挖方式是现代隧道特别是地铁隧道的重要开挖方式之一，其效率高，速度快，支护及时，对上方建筑以及土体扰动较小。从上文的三维应力图可以看出，其开挖特别是开挖后及时进行支护后，围岩应力变化缓和。这就说明，隧道的稳定性总体而言取决于三个方面，第一，土体自身的性质。一般而言，硬岩的开挖稳定性要优于软岩，其支护也更加方便；第二，隧道的开挖方式，很显然TBM全断面开挖对岩体的扰动要优于矿山法施工，多断面开挖方式比如眼睛法对上层土体的扰动一般要小于一次性全断面爆破；第三，支护的及时性，随着现代支护手段特别是新奥法的普遍应用，使得边开挖边支护的理念得以深入推广。及时支护可以使得围岩得到及时稳固，在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。
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参考文献
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