地表沉降量（共3篇）
地表沉降量 篇1
1 前言
随着社会城市化进程的推进和地下空间开挖技术的成熟, 在城市空间的立体开发中, 地下空间开发利用越来越多, 其中城市地铁的建设就是典型的代表。众所周知, 地铁有着无可比拟的优势, 如缓解城市交通、加快城市发展步伐、对城市生活影响小等功能。但地铁隧道施工不可避免地会引起地面和地下土体的移动, 当土体位移过大时, 对周边建 (构) 筑物和地下管线等设施会构成危害。因此, 做好城市地下轨道施工方案预测具有重要指导意义。
2 隧道开挖有限元模拟分析
2.1 模型简介
隧道开挖问题属于三维的空间问题, 采用三维有限元模型来分析隧道开挖导致的地层变形, 能更好的考虑地层空间上的应力释放, 得出的地表沉降计算结果会比较接近实际。由于隧道开挖影响范围有限, 因此本次隧道开挖采取模型尺寸为60m×60m×60m (X×Y×Z) , Z为隧道掘进方向。有限元三维网格的划分见图1计算体上采用表面为自由面, 四周表面均约束其垂直方向上的位移, 底部约束竖向位移。考虑城市隧道的盾构施工的特点, 本次模拟的隧道采用圆形断面, 直径为6m。
2.1.1 计算假设和简化
为了便于分析问题, 抓住规律, 本文在进行有限元三维隧道开挖分析时做了如下假定:
⑴土体为弹塑性, 为便于讨论, 土体不考虑分层情况;
⑵土层初应力场不考虑构造应力, 仅考虑自重应力;
⑶土体在自重作用下产生的变形和应力在开挖前己经完成, 在有限元计算中不予以考虑;
⑷支护结构与土体共用部分节点, 不产生相对滑动或脱离;
⑸将锚杆的力学作用等效为锚杆作用范围内土体力学参数的改善, 采用预加固区进行模拟, 厚度为2m。
2.1.2 单元类型的选取
土体和预加固区采用八节点空间单元SOLID45单元来模拟。隧道衬砌采用弹性壳单元SHELL63来模拟, 厚度为0.3m, 按线弹性材料考虑。
2.1.3 材料属性
土体材料属性在表1中已经给出, 其余材料属性如表2所示。
参数设定。单位采用国际单位制, 力:N;长度:m;质量:kg;时间:s。
2.2 隧道开挖方案
本次隧道开挖以1.0倍隧道直径为开挖进尺, 按表3中的开挖方案对隧道进行开挖, 其中隧道直径为6m。
3 有限元隧道开挖地表沉降分析结果
本次隧道开挖除了研究隧道开挖到不同长度时对地表沉降的影响外, 还对隧道拱顶沉降进行了分析。
3.1 隧道开挖到不同进深对地表沉降的影响
图2的a、b分别画出了隧道开挖每级进深地表的沉降值, 图中的沉降值取自隧道中轴线正上方的地表沉降, 0～60表示的是隧道的长度。从图2可以看到隧道开挖对地表沉降的影响有以下几个特点:
⑴隧道开挖地表沉降最大值发生在隧道口, 并且随隧道逐级开挖, 隧道口对应的地表最大沉降也在逐级增大;
⑵隧道开挖对地表沉降的影响区域基本贯通全长, 其中每开挖一段, 其地表沉降影响区域向隧道开挖方向约为6倍的隧道直径, 在6倍隧道直径以外地表有微小的隆起, 作用不大, 可以忽略;
⑶隧道向前推进的时候, 其对前方的影响是6倍隧道直径, 从图2中b可以看到, 当隧道开挖到36m后, 隧道开挖对隧道口处的地表沉降基本没贡献, 可以认为隧道开挖对其后面的影响区域也约为6倍隧道直径;
⑷从图2、图3可以知道, 隧道开挖对地表沉降的强影响区域为隧道开挖处前后各3倍隧道开挖直径范围, 中等影响区域为前后3～5倍隧道开挖直径范围, 弱影响区域为前后5倍隧道开挖直径以外。
3.2 隧道开挖到不同进深对拱顶沉降的影响
从图3中可以看到, 隧道开挖至不同深度时, 拱顶的变形与地表的沉降变形有着明显的区别, 地表变形相对比较平缓, 而拱顶变形则很崎岖。隧道口拱顶的沉降与地表沉降相似, 随隧道开挖逐级增加, 在隧道开挖到一定长度时变形保持稳定;隧道开挖对拱顶沉降的一个明显特征是拱顶的隆起, 隧道开挖在开挖处2倍直径范围内有一定的隆起, 这跟盾构推进很相似, 盾构推进时, 其周围一定范围内土体会隆起, 超出这个范围后土体表现为下沉。
4 结论
本文通过有限元三维隧道开挖模型的分析, 总结了隧道开挖到不同深度时对地表可能造成的沉降影响, 同时得到了隧道开挖应注意的一些事项, 对于指导城市地下隧道施工有很好的帮助。主要结果有以下几点:
⑴隧道开挖对地表沉降的影响范围为前后各6倍隧道直径, 超出该范围后影响很小, 所以在开挖过程中隧道开挖监测主要做好该开挖段内6倍隧道直径范围的观察;
⑵隧道开挖导致的地表最大沉降一般发生在隧道开挖的起始处, 对于长隧道, 其最大地表沉降应该发生在隧道的前面段, 隧道的起始段应该密切监测;
⑶隧道开挖中, 在盾构推进的过程中会影响其推进方向一定范围内土体的隆起, 当其线路上方有重要管线及建筑物时应尤为注意。
参考文献
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浅析地表沉降变形的预测方法 篇2
我国大部分矿山由于开采初期没有进行正规、严格的开采设计就进入了生产, 乱采乱挖现象严重;同时, 没有进行采矿后期的设计、处理, 也从来没有考虑矿山开采后期以及开采结束后矿山的采场、地表处理问题等, 造成了我国现存的几百万亩的塌陷区, 造成了无尽的经济建设、生活活动的损失和影响。
开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一, 它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义[1], 这方面研究已经有许多成果[2~4]。从全国范围看, 每年矿山地质灾害的总体损失不亚于一次地震或洪水带来的损失[5]。在我国部分煤炭能源开发较早的地区, 开采沉陷带来的灾害问题显得尤为突出。
数值模拟计算可靠性主要取决于建模。而对矿山开发的建模极其复杂, 尤其是建立三维实体模型。采用传统的建模方法, 不仅花费大量的人工、计算时间, 而且可靠性不高。鉴于此, 我们采用了ANSYS[6]进行整个矿区的模型建立。利用有限元的思想, 结合ANSYS平台从系统化、模块化、可视化的角度进行模拟分析, 得出采空区引起的地表沉降的范围、最大下沉线、最大下沉点、覆岩移动及变形等规律, 仿真结果与实际情况相符合, 为矿山开采和大体积地下工程的建设提供了研究依据。
1、大空区引起地表沉降计算模型的建立
1.1 物理模型
由于矿山区域地质结构相当复杂, 不同的岩层相互交错, 构成了特殊的地质构造结构。为了计算方便, 我们简化了原始地质构造, 如图1所示的模型。整个模型最上层为地表土体, 其次由岩石1、岩石2、岩石3、岩石4、和矿体1、矿体2组成的三维实体, 图1 (a) 和图1 (b) 所示为三维实体的剖面图。
1.2 模型计算思想
本模型将整个复杂的物理模型实体拆分为若干个形状简单的单元, 利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析。将连续体进行离散化, 离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体, 所有的计算分析都将在这个模型上进行。其分析过程主要可分为以下五步:单元划分、位移模式的确定、单元分析、总体分析及有限元方程组的求解。
由于计算机资源使用的有限性, 本模型使用SOLID45单元[7]用于构造三维固体结构, 满足了模型计算的精度要求, 同时, 计算效率也大幅提升。该单元通过8个节点来定义, 每个节点有3个沿着x, y, z;方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。单元由8个节点和各向同性的材料参数来定义。各向同性材料方向对应于单元坐标系方向, 单元载荷包括节点载荷和单元载荷。S O L I D 4 5单元结构如图2所示。
2.3 网格划分以及边界处理
考虑到本模型存在复杂的结构以及极不规则的地质条件和采场空间几何形状。考虑到几何形状对网格的影响, 同时, 几何特征区域上网格划分形式取决于特征的重要度。可以从特征的几何形状、几何参数大小、属性和约束等多方面进行评价一个特征的重要度。外加载荷的力学特性分析是研究形体工作状态的情况。这两种情况下, 受力情况和几何情况完全不同, 也决定了这两种模式下网格划分情况的不同。在网格划分的过程中, 两者相互考虑、相互结合, 同时, 使用了自适应网格划分算法, 得到比较高效、精确的三维划分。
由于我们取的模型足够大, 空区对模型边界的实际影响可以忽略不计, 至此、整个三维模型的边界我们进行钢化面处理。
2.4 物理参数的选取
整个模型的计算, 物理参数的选取对整个模型的精确度和可参考性起到了重要的作用。本模型中我们使用了参数评估加权算法进行参数的确定。评估加权算法如下表1所示:
根据矿山设计院的地质结构图与相关本区域内的地质构造图表我们得出了各个水平层岩石物理参数。我们进行计算参数选取时, 以某个区域内大体积含有某种岩石, 以此区域进行研究对象, 结合此区域内的其他种类岩石进行整体评估加权。其中:mi其依据本体积内岩石namei所占的体积份数, 并且1=m1+m2+m3+…+mi。pi为岩石namei实际物理参数。整个该区域内最终确立的参数为
2、结论
1) 、该方法的模拟结果与实际结果相符合。我们可以快速建立模型, 简单、方便的得出地下工程的开采引起的地表变形的结果。从可视化的角度、从便捷的角度、从准确、可靠的角度, 无疑用有限元思想结合ANSYS分析软件进行矿上分析, 是行之有效的。
2) 、在上述理论模型的基础上, 利用有限元机制, 结合国内外大型有限元分析软件, 实现对模型的数值模拟, 得出了地下大型工程累积损伤引起的地表下沉的一些数据, 包括:地表下沉范围、最大下沉曲线、最大下沉点、下沉时间预测。
3) 、随着国民经济快速良性的发展, 我国存在数量巨大的地下工程。同时, 早期缺乏地表沉降预测该类问题的探讨与研究;加之, 现存土地资源经济价值巨大, 该类沉降问题越显重要。该研究迎合了行业市场的发展, 具有非常重要的实用价值。
摘要：由于地下大体积空区的存在, 引起了地表的沉降变形。为了预测变形趋势, 我们建立了沉降模型去模拟变形情况。该物理模型的建立, 使用有限元的思想, 采用不同的岩层结构、结合有限元分析软件ANSYS、用自适应网格划分算法划分网格, 使用了参数评估加权算法进行物理参数的选取。仿真结果与实际情况相符合, 为地表沉降研究机制提供了依据。
关键词：ANSYS,有限元,地表沉降,地下空区
参考文献
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[2]彭欣, 崔栋梁, 李夕兵等.特大采空区近区开采的稳定性分析[J].中国矿业.2007, 16 (4) :70-73.
[3]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].国家煤炭工业局.北京:煤炭工业出版社,
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[6]尚晓江, 邱锋, 赵海峰, 等.ANSYS结构有限元高级分析与规范应用[M].中国水利水电出版社.2008.5
盾构区间地表沉降监测与结果分析 篇3
随着城市建设的发展, 为了解决交通堵塞、环境污染, 轨道交通已成为我国各城市公共交通发展的首选。由于地下土体性质、荷载条件、施工环境的复杂性, 单单根据地质勘察资料和室内土工试验参数来确定设计和施工方案, 往往含有许多不确定因素, 对在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施变化的监测已成为工程建设必不可少的重要环节。指导轨道交通工程设计和施工需要理论、经验和监测数据相结合。
1 工程概况
XX盾构区间位于XX境内, 北起XX, 南至XX, 隧道区间全长1020.46m。工法采用盾构法。结构形式为圆形断面盾构管片:内径5.5m、厚度350mm;结构厚度0.5~1.0m, 结构顶距地面高度-8~-14m。
2 监测内容与目的
为了确保盾构施工的安全, 根据工程特点依据《城市轨道交通工程测量规范》 (GB50308-2008) 、《工程测量规范》 (GB50026-2007) 、《建筑变形测量规范》 (JGJ 8-2007) 《建筑基坑工程监测技术规范》 (GB50497-2009) 、《地铁工程监控量测技术规程》 (DB11/490-2007) 以及设计要求确定本工程的监测内容, 包括地表沉降、拱顶沉降、净空收敛、土体侧向位移、现场安全巡视等。地下工程开挖后, 地层中的应力扰动区延伸至地表, 围岩力学形态的变化在很大程度上反映于地表沉降, 且地表沉降可以反映隧道开挖过程中围岩变形的全过程。尤其是对于城市地下工程, 若在其附近地表有建筑物时就必须对地表沉降情况进行严格的监测和控制。
3 基准点、工作点、监测点埋设
基准点埋设:监测基准点埋设均在沉降影响范围以外的稳定区域内视野开阔的地区;均埋设三个以上的基准点;基准点埋设牢固可靠, 基准点和附近的水准点联测取得原始高程并且不定期的进行联测, 保持精度的可靠性和稳定性。本次基准点采用地铁高程控制网成果, 不需要另行埋设。工作基点的埋设与布置:工作点的埋设与布置的原则与基准点相同, 本工程布设4~6个, 作为每次监测工作的起始点, 靠近地铁施工现场, 并定期 (1个月) 与基准点进行联测, 保持精度的可靠性和稳定性。监测点埋设:根据本工程需要, 在盾构中线上每5米布设1个沉降监测点, 并在盾构始发段100m范围内, 在每20m设一断面, 其余地段30m设一断面 (每个断面不少于5个监测点) 。地表沉降监测点采用钻孔的方法布设。用水钻打穿地表硬壳层, 监测点标打在原状土里面, 再用细沙回填实。监测点顶部应低于地面, 加盖保护, 以免被车压坏, 影响监测数据准确性。并且监测点旁边应设置明显保护标志。主断面监测点布置图如图1、地表沉降监测点如图2。
4 地表沉降监测方案
地表沉降观测采用精密水准测高。在实施过程中地表沉降监测采用闭合水准路线, 闭合水准路线的闭合差不得大于其中n (偶数站) 为测站数, 视线长度≤50m, 前后视距差≤2.0m, 任一测站上前后视距差累积≤3.0m。监测过程中确保专人观测、专人扶尺、同一仪器、同一路线。水准仪采用美国产Trimble DINI12电子水准仪 (标称精度为0.3mm/km) , 2米和3米条形码铟瓦水准标尺, 测量时对电子水准仪进行各项限差的设置, 水准外业记录由仪器自动完成, 当观测超限时, 仪器自动提示重测。在进行观测点的首次观测时, 必须观测三次, 取其平均值为初始值。各监测点的高程通过各测点与工作点进行水准连测得到。
5 地表沉降监测频率与预报警控制
监测工作自盾构开始施工到地铁线路试运营为止。监测工作紧随盾构掘进的进展, 视盾构掘进情况距开挖前后≤20m保持每1天2次、距开挖前后≤50m保持每2天1次、距开挖前后>50m保持每2周1次, 根据数据分析确定沉降基本稳定后保持1月1次直至地铁线路试运营为止, 如遇特殊情况加密监测频率。盾构施工时, 及时了解施工的进度, 并重点关注盾构区域和地质情况比较复杂的地区, 及时做到第一时间掌握变化情况, 做到根据数据配合施工进度。在监测项目超出设计值和监测预警报值 (如地表累计沉降超过24mm, 沉降速率大于3mm/d) 时, 迅速启动预报警制度, 及时分析原因, 并采取必要的措施。
6 地表沉降监测结果分析
由于盾构路线较长, 特选取具有代表性的第90号断面的左右线监测数据, 绘制地表沉降曲线图。地表沉降曲线表明:在盾构掘进的过程中监测点出现先升后降再稳定的现象。在第Ⅰ阶段盾构还未通过, 由于提前注浆的原因监测点出现1-2mm的上浮;第Ⅱ阶段由于右线盾构的通过使右线上方的监测点在短时间内出现明显的下沉, 并由于土体扰动造成左线上方监测点出现5mm左右的下沉;第Ⅲ阶段由于右线盾构已经通过而左线盾构还未到达, 所以出现短暂的稳定期;第Ⅳ阶段由于左线盾构通过使左线上方的监测点在短时间内出现明显的下沉, 并由于土体扰动造成右线上方监测点也出现5mm左右的下沉;第Ⅴ阶段由于左右盾构都已经通过监测点开始趋于稳定。90号主断面地表沉降曲线图如图3。
图4是84、90号主断面 (特征点) 地表沉降曲线, 我们可以从图4中清楚的看出, 位于盾构中线上方的监测点DY84-04、DY90-04、DY90-07在盾构通过时变形最大, 而DY84-01、DY84-09、DY90-01、DY90-09变形最小。其余监测点变形居中。因此我们可以得出:在盾构掘进的过程中位于盾构中线上方的监测点变形较大, 当监测点离盾构中线的位置越远则监测点变形越小。
7 结束语
因此在监测实施中应先制定详细的监测方案, 监测数据必须真实可靠保证原始数据的完整且不得更改或删除, 及时处理监测数据, 计算有问题必须及时复测。并应根据盾构施工各个阶段的特点, 密切配合施工进度;在施工前采集相关数据, 做到能准确反映其盾构掘进过程中, 周围环境所发生的变化, 根据周边的已有资料, 对工地周边进行布设相应的监测项目, 并及时采取初始值。在施工期间, 根据施工进度, 配合施工方积极做好各项监测工作, 如现场发生突发性事件, 及时做好增设监测项目, 主动加密监测频率, 必要时做到24小时不间断观测, 直至变形趋势稳定。
参考文献
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