摘 要

随着经济的日益发展，人们对出行的需求越来越高。隧道越来越普遍的出现在城市的各个角落。盾构法作为现在隧道工程最重要的施工方法，具有一体性高、施工效率高、对环境污染小等优势，所以越来越多的应用到了城市地铁的建设中。在盾构的过程中，不免会造成地表的变化与沉降，并对周围的管线与基础造成影响，所以对于沉降的探究具有重大的意义。通过三维有限元的模拟可以得到地表的位移和曲线，进而得到随着盾构隧道开挖的前进时地表沉降的规律，为后续的盾构施工提供参考。

除了常规的工况的有限元分析外，还通过有限元法分析了隧道不同的埋深对地表变形的影响。通过变化隧道上层的覆土厚度来分析地表的竖直沉降和达到最大的地表沉降的数值与联系。

通过在软件中改变土层的弹性模量来得到土的相关参数变化后对地表面形的影响，通过控制变量法，在其他条件都不变的基础上，变更上方土体的弹性模量来模拟不同类型的土层的位移沉降和最大位移的数值。

关键词：盾构隧道；有限元；地表沉降；开挖面

Surface Deformation Analysis and 3D Finite Element Simulation of Shield Tunnel Construction

ABSTRACT

With the development of the economy, people's demand for travel is getting higher and higher. Tunnels are becoming more and more common in every corner of the city. As the most important construction method of tunnel engineering, shield method has the advantages of high integrity, high construction efficiency and low environmental pollution, so it is more and more applied to the construction of urban subway. In the process of shield construction, it will inevitably cause changes and settlement of the earth's surface, and affect the surrounding pipelines and foundations. Therefore, it is of great significance for the exploration of settlement. Through the simulation of three-dimensional finite element, the displacement and curve of the surface can be obtained, and then the law of surface settlement with the advancement of shield tunneling is obtained, which provides reference for the subsequent shield construction.

In addition to the finite element analysis of the conventional working conditions, the influence of different buried depths of the tunnel on the surface deformation is analyzed by the finite element method. By changing the thickness of the overburden in the upper layer of the tunnel, the vertical settlement of the surface and the value of the maximum surface settlement are analyzed.

By changing the elastic modulus of the soil layer in the software to obtain the influence of the relevant parameters of the soil on the surface shape of the ground, the elastic modulus of the soil above is changed by the control variable method and the other conditions are unchanged. Simulate the values of displacement and maximum displacement of different types of soil layers.

Key words：Shield tunnel；Finite element；Surface subsidence；Excavation face；

目 录

1 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外同类研究概况 2

1.2.1 盾构施工过程 2

1.2.2 盾构衬砌及其模型 4

1.2.3 衬砌管片接头的研究 6

1.2.4 盾构施工对地表影响的主要原因 8

1.3 研究内容及计划 11

1.4 特色与创新 11

2 数值分析软件与基本工况 12

2.1 有限元基本方法 12

2.2 软件介绍 13

2.3数值软件模型介绍 13

2.3.1 Mohr-Coulomb模型 13

2.3.2 HS模型 14

2.4基本工况 14

3 模型建立与计算 17

3.1 模型建立 17

3.1.1 几何模型建立 17

3.1.2 材料属性的设置 17

3.1.3 边界条件的设置 18

3.1.4 网格生成 19

3.1.5 生成初始应力 20

3.2 模型计算 21

3.2.1 计算步的生成 21

3.2.2 计算结果（基本工况垂直方向位移） 21

3.2.3 计算结果（基本工况盾构上方点曲线） 29

3.2.4 计算结果（土层应力分析） 32

3.3本章小结 36

4 不同条件下地表位移分析 38

4.1 地表变形的影响因素 38

4.2 隧道埋置深度对地表变形的影响 38

4.2.1 模型的调整 38

4.2.2 计算结果分析 39

4.3 土体强度对地表变形的影响 42

4.3.1 模型的调整 42

4.3.2 计算结果分析 43

4.4 本章小结 45

5 结论 46

致 谢 48

参考文献 49

1 绪论

1.1 研究的目的及意义

盾构法隧道施工技术经过一百年的发展，虽然有了很大的发展，但是不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形及地面沉降，特别是在软土盾构隧道中尤甚。扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将引起长时间内的固结和次固结沉降。当地层变形超过一定范围时，会严重危及临近建筑物和地下管网的安全，引起一系列的环境岩土问题。由此可见，盾构施工对周围地层的扰动机理的研究具有重大的意义。

在当今时代迅速发展，对于交通文化的沟通速度有着极高的要求，在大型和特大型城市中尤为突出。面对日益发展的经济，地面的路口已然拥挤不堪，所以开拓和利用地下的空间是每个城市必做的课题。尤其是对于地下轨道交通的利用，将会是今后一大发展的方向。目前我国各个城市如北京、上海、南京等都在大力发展建设地铁。

在任何地层和地方进行隧道的掘进和开挖，都不可避免地造成了土体的破坏和扰动，会对盾构附近紧邻建筑物和地下管线造成影响，如图1-1所示。尤其是对于附近建筑物的地基会造成较大的弯曲和变形影响，如果基础的变形过大，会对建筑物造成不可逆的伤害。盾构法作为一种不可见的地下施工方法，相对比矿山法和明挖法等施工，可以最大限度的减少对于附近建筑物的影响。所以，越来越多的被应用在城市隧道的建设当中。