软土地层管幕法施工三维数值模拟

第２８卷　　　增刊　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　岩　　　土　　　工　　程　　　学　　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２８　　Ｓｕｐｐ．　２００６年　　　１１月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎｏｖ．，　　２００６　

软土地层管幕法施工三维数值模拟

孙　　

旻

对软土地层管幕法施工过程进行了三维数值模拟并同实测结果进行了比较过程

数值模拟

TU470 文献标识码孙 旻（1981–

）

博士

采用D-P 模型可以在不考虑土体时变特性的情况下较好的模拟管幕法施工

3D numerical simulation of pipe-curtain method in soft soils

SUN Min

Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China

ÓÖ³ÆÅŹܶ¥½ø·¨

ÀûÓÃСÐÍ

¶¥¹Ü»ú¶¥½ø¸Ö¹Üµ½ÍÁÌåÖÐ

Ðγɳ¬Ç°Ö§»¤

图１　管幕段结构断面示意　

国外在软土地层所施工的管幕法工程中

避免开挖面失稳

[2]

¸Ö½î»ìÄýÍÁÏäº-ÍÆ

½øʹ¤·½°¸

Fig. 1 Section of pipe-curtain

由于施工方法的复杂性

¸ÃËíµÀ¹ÜÄ»¶ÎλÓÚÈíÍÁµØ²ã

１　　研究方法　

１．１　　计算模型　

Óбð

由于箱涵截面左右对称

ËíµÀ×ÝÏò×ܳ¤

高为10 m

管幕的管顶离地表最近距离仅4 m

ÓëÒ»°ã¹ÜĻʹ¤·½°¸

ÈíÈõµÄʹ¤µØ²ã¼°¸ß±ê×¼µÄÖܱß

»·¾³±£»¤ÒªÇó¶Ô¸Ã¹¤³ÌÌá³öÁËÑϾþµÄÌôÕ½

具体模型见图

2125 m

───────　

收稿日期

1498 岩 土 工 程 学 报 2006年

其中的17 m为隧道开挖区

模型沿深度方向为29.8 m

30 kPa面荷载

本文假设土体

初始应力仅来源于土体在自重作用下的沉积变形

１．６　　施工过程模拟　

施工全程分为顶管顶进至管幕形成部分和箱涵顶进部分

箱涵顶进分八步实现

第三次顶进4 m

Áù最后一段为15 mµÚÒ»ÔØ

ºÉ²½Îª¹ÜÄ»ÐγÉ

´Ó¶ø½«¸Ã²¿·ÖµÄ¸Õ¶È¾ØÕóÖÃÁã

图２　有限元模型　Fig. 2 Finite element model

１．２　　单元及材料本构　

采用整体三维非线性水土合算有限元模型

管幕层采用4节点三维板

单元

[3]

ÍÁÌåÇü·þ×¼Ôò²ÉÓÃ

D-P

»ìÄýÍÁÏäº-²É

ÓÃÏßµ¯ÐÔ²ÄÁÏÄ£ÐÍ

ÔÚ¿ªÍÚ³¤¶ÈÄÚ¼Ù¶¨ÍÁ²ãºñ

¶ÈÒ»¶¨

重力加速度取为10 N/kg

表１　地基土层力学参数　Table 1 Mechanical properties of soils

层序

土层 名称 人工 填土

层厚 /m

重度 /(kN

固快强度 峰值

)

1

1.9

ÒÔºó8个载荷步分

别对应8个箱涵顶进开挖工况

第一载荷步管幕顶进完毕后

条形

沿隧道纵向中轴线上土体沉降基本一致

在位于隧

道纵向中轴线的位置处达到最大位移

最大地表沉降进一步

增大达到232.1 mm

ͬʱ¿ªÍÚ¶Ô·Ç¿ª

ÍÚÇøÓòÒ²Ôì³ÉÁËÓ°Ïì

ÍÁÌåλÒÆÏÔÖøÔö¼Ó

Ïäº-¶¥½ø18 m

后

继续沿隧道开挖方向向后移动沿中轴线距开挖区域20 m的范围内

箱涵顶进4 m以后

沉降增量明显减小箱涵顶进17.5 m

第六载荷步

最大位移沉降为

251.8 mm

×î´óλÒƳÁ½µÎª253.4 mm

³Á½µÇøÓò¼ÌÐøÔö¼Ó

µÚ¾ÅÔغɲ½

沉降槽形状恢复为长条状

地表沉降槽为长

2

灰色 粉砂

7.3 18.2 24.7 0.35 3.9 28.5

１．４　　边界条件　

由于模型的对称性

模型侧面采

用侧向约束

模型顶面施加

增刊 孙 旻

本文绘制了地表

沉降曲面

　

图３　载荷步一地表沉降面　　　

Fig. 3 Ground settlement in load step 1

图４　载荷步二地表沉降面　

Fig.4 Ground settlement in load step 2

图５　载荷步三地表沉降面

Fig.5 Ground settlement in load step 3

图６　载荷步四地表沉降面

Fig. 6 Ground settlement in load step 4

图７　载荷步五地表沉降面　　

Fig. 7 Ground settlement in load step 5

图８　载荷步六地表沉降面

Fig. 8 Ground settlement in load step 6

图９　载荷步七地表沉降面　　

Fig. 9 Ground settlement in load step 7

图１０　载荷步八地表沉降面

Fig. 10 Ground settlement in load step 8

图１１　载荷步九地表沉降面

Fig. 11 Ground settlement in load step 9

２．２　　纵向中轴线位置地表沉降　

取纵向中轴线位置地表沉降进行研究

１３

地表土体的沉降量不断增加

第三次顶进长度

LOADSTEP3

30 m区域内的土体位移也有显著影响

1500 岩 土 工 程 学 报 2006年

致曲线在前端20ÒÔÍâ

ÇøÓò±ä»¯½Ï»º

　

图１２　中轴线位置地表沉降图１　

Fig. 12 Ground settlement at longitudinal symmetry line

　

图１３　隧道中轴线位置地表沉降图２　

Fig. 13 Ground settlement at longitudinal symmetry line

３　　结果分析　

为了便于比较分析

比较曲线见图

14

　

图１４　Ｄ６点开挖全程沉降的理论计算同实测数据比较　Fig. 14 Curves of calculated data and measured data at D6 point

图14中的9个数据点代表9个载荷步下的沉降数

据

因此理论计算曲线的开始

万方数据

时间为第

156 d

³ýÈ¥×îºóÁ½¶ÎÏäº-¶¥½ø

ÀíÂÛ¼ÆËãÊý¾Ýͬʵ²âÓвî¾àÍâ

ʵ²â±íÃ÷ÔÚ×îºóÁ½¶ÎÏäº-¶¥

½øʱÍÁÌ忪ʼ»Øµ¯

４　　结　　　　论　

采用D-P 弹塑性本构模型对管幕法地下隧道施工进行三维数值模拟分析的结果同实测数据拟合得很

好

因此数值模拟

无法反映出施工过程中土体的时变性

在最后两段箱涵顶进时

又如纵向地表沉降

曲线并没有反映出顶进土体沉降的滞后性

模拟结果表明在不考虑土体时变性的情况下可以采用D-P 本构模型对管幕法地下隧道施工进行三维数

值模拟

粘塑性本构模型对土体进行模拟　

[1] MUSSO G. Jacked pipe provides roof for underground

construction in busy urban area[J]. Civil Engineering, ASCE, 1979, 11(49):79–82.

[2] 李向阳, 等. 软土地层管幕法隧道箱涵顶进开挖数值模拟[J].

地下空间,2004, 24(5):688–691.(LI Xiang-yang, et al. Excavation numerical simulation of culvert box advanced in pipe-roof in saturated soft soil layer[J]. Underground Space,2004, 24(5):688–691.)

[3] 王勖成, 劭 敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:

清华大学出版社,2002: 329–363.(WANG Xu-cheng, SHAO

Min. The principles and numerical method of finite element method[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2002: 329–363.)

[4] 龚晓南. 土塑性力学[M].杭州:浙江大学出版社,1990: 118–

150.(GONG Xiao-nan. Plasticity of soils[M]. Hangzhou:

Zhejiang University Press, 1990: 118–150.)

软土地层管幕法施工三维数值模拟

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

孙旻， 徐伟， SUN Min， XU Wei同济大学建工系,上海,200092

岩土工程学报

CHINESE JOURNAL OF GEOTECHNICAL ENGINEERING2006,28(z1)2次

参考文献(4条)

1. MUSSO G Jacked pipe provides roof for underground construction in busy urban area 1979(49)2. 李向阳 软土地层管幕法隧道箱涵顶进开挖数值模拟[期刊论文]-地下空间与工程学报 2004(05)3. 王勖成;邵敏 有限单元法基本原理和数值方法 20024. 龚晓南 土塑性力学 1990

本文读者也读过(10条)

1. 刘博海. 杨亮. 罗昊冲. Liu Bohai. Yang Liang. Luo Haocong 管幕法简述[期刊论文]-城市道桥与防洪2011(5)2. 李重阳 软土地基中管棚法修建城市轨道交通地下通道工程可行性分析[期刊论文]-铁道建筑技术2005(z1)

3. 张洁. 徐伟. 钟建驰 润扬长江大桥南锚碇超深基坑围护冻结法施工温度场全过程的数值模拟[期刊论文]-建筑施工2004,26(1)4. 杨治东. 高成雷. 王新线. 朱永全 浅埋暗挖通道穿越铁路站场施工技术[期刊论文]-国防交通工程与技术2004,2(3)5. 王志达 城市人行地道浅埋暗挖施工技术及其环境效应研究[学位论文]2009

6. 姚晓红. Yao Xiaohong 城市地铁浅埋暗挖隧道地层沉降分析与控制[期刊论文]-铁道建筑技术2006(1)

7. 陈灿. 徐伟. CHEN Can. XU Wei 考虑徐变影响的施工期时变结构受力分析[期刊论文]-山东建筑大学学报2006,21(5)8. 徐明星. XU Ming-xing 软弱地层浅埋隧道施工综述[期刊论文]-山西建筑2008,34(10)9. 软土地层铁路站场下浅埋大跨地下通道施工综合技术[期刊论文]-现代隧道技术2004(z2)10. 谢军. 孙旻. 徐伟. 张太科 嵌岩深基坑支护结构施工阶段内力监测与反分析研究[会议论文]-2007

引证文献(2条)

1. 吴欣之. 胡玉银. 景路. 袁聚云 箱涵顶进双重置换工法及其在某工程中的应用[期刊论文]-地下空间与工程学报 2011(5)2. 夏才初. 龚建伍. 陈佑新. 蒋坤 滑行道下超长管棚-箱涵顶进地表沉降分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2008(4)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_ytgcxb2006z1042.aspx

第２８卷　　　增刊　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　岩　　　土　　　工　　程　　　学　　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２８　　Ｓｕｐｐ．　２００６年　　　１１月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎｏｖ．，　　２００６　

软土地层管幕法施工三维数值模拟

孙　　

旻

对软土地层管幕法施工过程进行了三维数值模拟并同实测结果进行了比较过程

数值模拟

TU470 文献标识码孙 旻（1981–

）

博士

采用D-P 模型可以在不考虑土体时变特性的情况下较好的模拟管幕法施工

3D numerical simulation of pipe-curtain method in soft soils

SUN Min

Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China

ÓÖ³ÆÅŹܶ¥½ø·¨

ÀûÓÃСÐÍ

¶¥¹Ü»ú¶¥½ø¸Ö¹Üµ½ÍÁÌåÖÐ

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图１　管幕段结构断面示意　

国外在软土地层所施工的管幕法工程中

避免开挖面失稳

[2]

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Fig. 1 Section of pipe-curtain

由于施工方法的复杂性

¸ÃËíµÀ¹ÜÄ»¶ÎλÓÚÈíÍÁµØ²ã

１　　研究方法　

１．１　　计算模型　

Óбð

由于箱涵截面左右对称

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高为10 m

管幕的管顶离地表最近距离仅4 m

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»·¾³±£»¤ÒªÇó¶Ô¸Ã¹¤³ÌÌá³öÁËÑϾþµÄÌôÕ½

具体模型见图

2125 m

───────　

收稿日期

1498 岩 土 工 程 学 报 2006年

其中的17 m为隧道开挖区

模型沿深度方向为29.8 m

30 kPa面荷载

本文假设土体

初始应力仅来源于土体在自重作用下的沉积变形

１．６　　施工过程模拟　

施工全程分为顶管顶进至管幕形成部分和箱涵顶进部分

箱涵顶进分八步实现

第三次顶进4 m

Áù最后一段为15 mµÚÒ»ÔØ

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图２　有限元模型　Fig. 2 Finite element model

１．２　　单元及材料本构　

采用整体三维非线性水土合算有限元模型

管幕层采用4节点三维板

单元

[3]

ÍÁÌåÇü·þ×¼Ôò²ÉÓÃ

D-P

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ÔÚ¿ªÍÚ³¤¶ÈÄÚ¼Ù¶¨ÍÁ²ãºñ

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重力加速度取为10 N/kg

表１　地基土层力学参数　Table 1 Mechanical properties of soils

层序

土层 名称 人工 填土

层厚 /m

重度 /(kN

固快强度 峰值

)

1

1.9

ÒÔºó8个载荷步分

别对应8个箱涵顶进开挖工况

第一载荷步管幕顶进完毕后

条形

沿隧道纵向中轴线上土体沉降基本一致

在位于隧

道纵向中轴线的位置处达到最大位移

最大地表沉降进一步

增大达到232.1 mm

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后

继续沿隧道开挖方向向后移动沿中轴线距开挖区域20 m的范围内

箱涵顶进4 m以后

沉降增量明显减小箱涵顶进17.5 m

第六载荷步

最大位移沉降为

251.8 mm

×î´óλÒƳÁ½µÎª253.4 mm

³Á½µÇøÓò¼ÌÐøÔö¼Ó

µÚ¾ÅÔغɲ½

沉降槽形状恢复为长条状

地表沉降槽为长

2

灰色 粉砂

7.3 18.2 24.7 0.35 3.9 28.5

１．４　　边界条件　

由于模型的对称性

模型侧面采

用侧向约束

模型顶面施加

增刊 孙 旻

本文绘制了地表

沉降曲面

　

图３　载荷步一地表沉降面　　　

Fig. 3 Ground settlement in load step 1

图４　载荷步二地表沉降面　

Fig.4 Ground settlement in load step 2

图５　载荷步三地表沉降面

Fig.5 Ground settlement in load step 3

图６　载荷步四地表沉降面

Fig. 6 Ground settlement in load step 4

图７　载荷步五地表沉降面　　

Fig. 7 Ground settlement in load step 5

图８　载荷步六地表沉降面

Fig. 8 Ground settlement in load step 6

图９　载荷步七地表沉降面　　

Fig. 9 Ground settlement in load step 7

图１０　载荷步八地表沉降面

Fig. 10 Ground settlement in load step 8

图１１　载荷步九地表沉降面

Fig. 11 Ground settlement in load step 9

２．２　　纵向中轴线位置地表沉降　

取纵向中轴线位置地表沉降进行研究

１３

地表土体的沉降量不断增加

第三次顶进长度

LOADSTEP3

30 m区域内的土体位移也有显著影响

1500 岩 土 工 程 学 报 2006年

致曲线在前端20ÒÔÍâ

ÇøÓò±ä»¯½Ï»º

　

图１２　中轴线位置地表沉降图１　

Fig. 12 Ground settlement at longitudinal symmetry line

　

图１３　隧道中轴线位置地表沉降图２　

Fig. 13 Ground settlement at longitudinal symmetry line

３　　结果分析　

为了便于比较分析

比较曲线见图

14

　

图１４　Ｄ６点开挖全程沉降的理论计算同实测数据比较　Fig. 14 Curves of calculated data and measured data at D6 point

图14中的9个数据点代表9个载荷步下的沉降数

据

因此理论计算曲线的开始

万方数据

时间为第

156 d

³ýÈ¥×îºóÁ½¶ÎÏäº-¶¥½ø

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４　　结　　　　论　

采用D-P 弹塑性本构模型对管幕法地下隧道施工进行三维数值模拟分析的结果同实测数据拟合得很

好

因此数值模拟

无法反映出施工过程中土体的时变性

在最后两段箱涵顶进时

又如纵向地表沉降

曲线并没有反映出顶进土体沉降的滞后性

模拟结果表明在不考虑土体时变性的情况下可以采用D-P 本构模型对管幕法地下隧道施工进行三维数

值模拟

粘塑性本构模型对土体进行模拟　

[1] MUSSO G. Jacked pipe provides roof for underground

construction in busy urban area[J]. Civil Engineering, ASCE, 1979, 11(49):79–82.

[2] 李向阳, 等. 软土地层管幕法隧道箱涵顶进开挖数值模拟[J].

地下空间,2004, 24(5):688–691.(LI Xiang-yang, et al. Excavation numerical simulation of culvert box advanced in pipe-roof in saturated soft soil layer[J]. Underground Space,2004, 24(5):688–691.)

[3] 王勖成, 劭 敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:

清华大学出版社,2002: 329–363.(WANG Xu-cheng, SHAO

Min. The principles and numerical method of finite element method[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2002: 329–363.)

[4] 龚晓南. 土塑性力学[M].杭州:浙江大学出版社,1990: 118–

150.(GONG Xiao-nan. Plasticity of soils[M]. Hangzhou:

Zhejiang University Press, 1990: 118–150.)

软土地层管幕法施工三维数值模拟

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

孙旻， 徐伟， SUN Min， XU Wei同济大学建工系,上海,200092

岩土工程学报

CHINESE JOURNAL OF GEOTECHNICAL ENGINEERING2006,28(z1)2次

参考文献(4条)

1. MUSSO G Jacked pipe provides roof for underground construction in busy urban area 1979(49)2. 李向阳 软土地层管幕法隧道箱涵顶进开挖数值模拟[期刊论文]-地下空间与工程学报 2004(05)3. 王勖成;邵敏 有限单元法基本原理和数值方法 20024. 龚晓南 土塑性力学 1990

本文读者也读过(10条)

1. 刘博海. 杨亮. 罗昊冲. Liu Bohai. Yang Liang. Luo Haocong 管幕法简述[期刊论文]-城市道桥与防洪2011(5)2. 李重阳 软土地基中管棚法修建城市轨道交通地下通道工程可行性分析[期刊论文]-铁道建筑技术2005(z1)

3. 张洁. 徐伟. 钟建驰 润扬长江大桥南锚碇超深基坑围护冻结法施工温度场全过程的数值模拟[期刊论文]-建筑施工2004,26(1)4. 杨治东. 高成雷. 王新线. 朱永全 浅埋暗挖通道穿越铁路站场施工技术[期刊论文]-国防交通工程与技术2004,2(3)5. 王志达 城市人行地道浅埋暗挖施工技术及其环境效应研究[学位论文]2009

6. 姚晓红. Yao Xiaohong 城市地铁浅埋暗挖隧道地层沉降分析与控制[期刊论文]-铁道建筑技术2006(1)

7. 陈灿. 徐伟. CHEN Can. XU Wei 考虑徐变影响的施工期时变结构受力分析[期刊论文]-山东建筑大学学报2006,21(5)8. 徐明星. XU Ming-xing 软弱地层浅埋隧道施工综述[期刊论文]-山西建筑2008,34(10)9. 软土地层铁路站场下浅埋大跨地下通道施工综合技术[期刊论文]-现代隧道技术2004(z2)10. 谢军. 孙旻. 徐伟. 张太科 嵌岩深基坑支护结构施工阶段内力监测与反分析研究[会议论文]-2007

引证文献(2条)

1. 吴欣之. 胡玉银. 景路. 袁聚云 箱涵顶进双重置换工法及其在某工程中的应用[期刊论文]-地下空间与工程学报 2011(5)2. 夏才初. 龚建伍. 陈佑新. 蒋坤 滑行道下超长管棚-箱涵顶进地表沉降分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2008(4)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_ytgcxb2006z1042.aspx