一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法与流程

1.本发明涉及模拟正交盾构隧道开挖面领域，尤其涉及一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法。


背景技术：

2.盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
3.在模拟盾构开挖面失稳对既有正交盾构隧道细部结构影响中，如果采用一次性建模的三维有限元计算方法，因为要模拟盾构隧道细部结构，会造成模型实体数量和单元数量庞大，从而引发计算时间超长或计算不收敛等多种问题。因此提出一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，解决了现有的模拟盾构开挖面失稳对既有正交盾构隧道细部结构影响中，易引发计算时间超长或计算不收敛等多种问题的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，包括以下步骤：
6.s1：根据背景资料，建立第一阶段三维有限元模型；
7.s2：进行第一阶段三维有限元模拟计算，提取得到既有正交盾构隧道竖向位移曲线z＝f(x)和水平位移曲线y＝f(x)；
8.s3：进行第二阶段三维精细化有限元建模，即对正交盾构隧道采用精细化建模；
9.s4：进行第二阶段三维精细化有限元建模，即对正交盾构隧道采用精细化建模；
10.s5：进行第二阶段三维有限元计算，得到既有正交盾构隧道管片、螺栓以及接缝在盾构开挖面失稳下的物理力学响应规律。
11.优选的，所述s1中既有正交盾构隧道采用梁单元进行模拟，嵌入土体单元中，跟土体单元间满足位移协调关系。盾构开挖面通过改变位移约束，来模拟盾构开挖面失稳。
12.优选的，所述s3中管片和螺栓均按照实体单元进行建模，管片与管片之间的连接通过螺栓嵌入管片单元来进行模拟，同时管片与管片之间设置接触面。
13.优选的，所述s3中接触面法向设置为只受压不受拉，接触面切向设置为摩擦接触，管片与土体之间的相互作用采用土弹簧进行模拟，土弹簧设置为只受压不受拉。
14.优选的，所述s4中将隧道每一个划分单元的变形耦合在其对应圆心位置，将竖向位移曲线和水平位移曲线通过施加位移约束的方式施加在由对应圆心组成的圆心线上。
15.与相关技术相比较，本发明提供的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方
法具有如下有益效果：
16.本发明提供一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，可以有效提升模拟盾构开挖面失稳对既有正交盾构隧道细部结构影响的计算效率，降低计算难度。
附图说明
17.图1为本发明的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法的三维有限元模型示意图。
18.图2为本发明的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法的位移曲线示意图。
19.图3为本发明的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法的三维精细化有限元建模示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例一：
22.请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：
23.第一步：根据背景资料，建立第一阶段三维有限元模型，如说明书附图1所示，其中既有正交盾构隧道采用梁单元进行模拟，嵌入土体单元中，跟土体单元间满足位移协调关系。盾构开挖面通过改变位移约束，来模拟盾构开挖面失稳。
24.第二步：进行第一阶段三维有限元模拟计算，提取得到既有正交盾构隧道竖向位移曲线z＝f(x)和水平位移曲线y＝f(x)，其竖向位移曲线和水平位移曲线示意图如说明书附图2所示。
25.第三步：进行第二阶段三维精细化有限元建模，即对正交盾构隧道采用精细化建模，如说明书附图3所示，其中管片和螺栓均按照实体单元进行建模，管片与管片之间的连接通过螺栓嵌入管片单元来进行模拟，同时管片与管片之间设置接触面，接触面法向设置为只受压不受拉，接触面切向设置为摩擦接触。管片与土体之间的相互作用采用土弹簧进行模拟，土弹簧设置为只受压不受拉。
26.第四步：将第一阶段得到了竖向位移曲线和水平位移曲线施加到第二阶段三维精细化有限模型上。具体施加方式如下：
①
将隧道每一个划分单元的变形耦合在其对应圆心位置；
②
将竖向位移曲线和水平位移曲线通过施加位移约束的方式施加在由对应圆心组成的圆心线上。
27.第五步：进行第二阶段三维有限元计算，得到既有正交盾构隧道管片、螺栓以及接缝在盾构开挖面失稳下的物理力学响应规律。
28.本发明可以有效提升模拟盾构开挖面失稳对既有正交盾构隧道细部结构影响的计算效率，降低计算难度。


技术特征：
1.一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：根据背景资料，建立第一阶段三维有限元模型；s2：进行第一阶段三维有限元模拟计算，提取得到既有正交盾构隧道竖向位移曲线z＝f(x)和水平位移曲线y＝f(x)；s3：进行第二阶段三维精细化有限元建模，即对正交盾构隧道采用精细化建模；s4：进行第二阶段三维精细化有限元建模，即对正交盾构隧道采用精细化建模；s5：进行第二阶段三维有限元计算，得到既有正交盾构隧道管片、螺栓以及接缝在盾构开挖面失稳下的物理力学响应规律。2.根据权利要求1所述的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，其特征在于，所述s1中既有正交盾构隧道采用梁单元进行模拟，嵌入土体单元中，跟土体单元间满足位移协调关系。盾构开挖面通过改变位移约束，来模拟盾构开挖面失稳。3.根据权利要求1所述的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，其特征在于，所述s3中管片和螺栓均按照实体单元进行建模，管片与管片之间的连接通过螺栓嵌入管片单元来进行模拟，同时管片与管片之间设置接触面。4.根据权利要求3所述的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，其特征在于，所述s3中接触面法向设置为只受压不受拉，接触面切向设置为摩擦接触，管片与土体之间的相互作用采用土弹簧进行模拟，土弹簧设置为只受压不受拉。5.根据权利要求1所述的一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，其特征在于，所述s4中将隧道每一个划分单元的变形耦合在其对应圆心位置，将竖向位移曲线和水平位移曲线通过施加位移约束的方式施加在由对应圆心组成的圆心线上。

技术总结
本发明公开了一种正交盾构隧道细部结构影响的数值计算方法，涉及模拟正交盾构隧道开挖面领域，解决了现有的模拟盾构开挖面失稳对既有正交盾构隧道细部结构影响中，易引发计算时间超长或计算不收敛等多种问题的问题，现提出如下方案，其包括以下步骤：建立第一阶段三维有限元模型；进行第一阶段三维有限元模拟计算，提取得到既有正交盾构隧道竖向位移曲线z＝f(x)和水平位移曲线y＝f(x)；进行第二阶段三维精细化有限元建模；进行第二阶段三维精细化有限元建模；进行第二阶段三维有限元计算。本装置可以有效提升模拟盾构开挖面失稳对既有正交盾构隧道细部结构影响的计算效率，降低计算难度。计算难度。计算难度。


技术研发人员：孙廉威 李天歌 颜超
受保护的技术使用者：上海建工集团股份有限公司
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/10/11