基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究

盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程.为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响,基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算,并结合现场监测,提出相应的施工建议.首先,基于弹性力学的Mindlin解,综合考虑盾构顶推力、辐条式刀盘摩阻力和盾壳摩擦力对土体位移的共同作用;基于三维镜像法和球孔收缩问题推导了地层损失引起的三维土体位移场表达式,建立了开挖面前方土体三维位移完整解析公式;其次,为了同时满足工程分析尺度和反映土体细观力学特性需要,引入新版连续-离散耦合技术.依托工程实例,通过三维单剪模拟试验与室内直剪试验对离散域内的颗粒细观参数进行验证.最后,基于三维位移解析解和连续-离散耦合模型分析了开挖面前方土体位移特性及不同盾构顶推力、刀盘转速和推进速度下的三维土体位移特征.结果表明:三维位移解析解和连续-离散耦合的计算结果均与实测值匹配程度较好;在盾构掘进过程中,地表沉降量逐步增大,盾构开挖面通过后沉降量得到暂时控制;顶推力过大容易使开挖面前方H/4～5H/4 范围内地表出现局部隆起现象;刀盘转速的提高会加大地表沉降量,使沉降槽的非对称性更加显著;同一地层中保持单位出土量不变时,盾构推进速度会影响前方土体沿隧道掘进方向和水平侧向的位移量;开挖面前方土体与盾尾后方土体在水平侧向上具有相反的位移趋势,工程中可根据前方土体位移特性动态调整盾尾注浆量.所提三维位移解析解与耦合计算方法可为预测盾构开挖面前方土体位移提供重要参考.