一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法与流程

本发明属于土木与交通工程的盾构隧道力学研究，特别涉及一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法。

背景技术：

1、盾构法施工因为具备对环境影响小，不受地形、地貌等条件限制，以及施工安全、快速等优点，在诸多城市的地铁建设大潮中得到了广泛应用。

2、盾构隧道衬砌通常采用环向接头将多个弧形的衬砌管片拼接成管片环，再通过纵向接头将管片环以通缝或错缝的方式拼装成一个完整的隧道。盾构隧道的管片接头在荷载作用下的力学行为影响着整个隧道结构的力学特征，接头产生的非线性特征会导致盾构隧道整体力学机理变得复杂。

3、相对于室内实验，数值模拟方法成本较低，周期较短，有利于盾构隧道研究的发展。因此，在数值模拟软件中建立符合真实受力情况的盾构隧道管片螺栓连接模型对盾构隧道的发展和深入研究极为重要。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，以较为真实的模拟盾构隧道衬砌的受力情况，真实的模拟了盾构隧道管片螺栓连接，实现盾构隧道螺栓连接过程的精细自动化，无需逐个寻找连接位置和设置连接属性，可以快速准确的建立出符合真实受力情况的盾构隧道管片连接模型，为研究盾构隧道在荷载和变形等作用下的响应提供依据。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，包括以下步骤：

4、s1、生成数值计算模型：采用数值模拟软件进行模型建立，依据隧道开挖影响周围土层的范围选定模型平面尺寸和长度，设定数值计算模型及其力学参数和边界条件，待数值计算模型初始平衡后清除位移，并设置位移和应力监测点；

5、s2、开挖隧道设置第一环管片衬砌，并生成盾构隧道衬砌模型：根据步骤s1中设定的数值计算模型尺寸开挖隧道并设置第一环管片衬砌，通过衬砌单元模拟盾构隧道管片，通过对不同位置的衬砌单元赋予不同的身份编号以形成一块块独立的管片，并对衬砌单元设置新的局部坐标系，其y轴指向隧道盾构前进方向，z轴指向隧道径向中轴线，x轴为衬砌平面切向；

6、s3、设置盾构隧道管片环向连接：删除同一环管片衬砌中相邻两块管片相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，接着在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新环向连接，根据螺栓连接情况设置连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；

7、s4、设置第二环管片衬砌和盾构隧道管片纵向连接：开挖第二段圆形隧道,并设置第二环管片衬砌，接着删除相邻两环管片衬砌相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新纵向连接，根据螺栓连接情况设置该连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；

8、s5、重复开挖，数值计算模型计算：根据相邻两环衬砌开挖的时间间隔计算一定步数后，监测各个结点上的位移和内力；并通过fish语言重复步骤s1、步骤s2、步骤s3、步骤s4，直至完成整个隧道开挖和设置连接单元的自动化处理。

9、本发明的有益效果主要体现在如下方面：

10、一、针对强度较为薄弱的管片螺栓连接较为真实的模拟盾构隧道衬砌的受力情况，基于数值模拟软件中的fish语言，真实的模拟了盾构隧道管片螺栓连接，实现了盾构隧道螺栓连接过程的自动化，无需逐个寻找连接位置和设置连接属性，可以快速准确的建立出符合真实受力情况的盾构隧道管片连接模型，为研究盾构隧道在荷载和变形等作用下的响应提供依据；

11、三、采用自动化建立模型的处理方式，极大地提高了建模效率，且操作简单，易于实际应用，为研究盾构隧道衬砌变形和内力提供了一个合理的模型；

12、四、相对于室内实验，数值模拟方法成本较低，周期较短，有利于盾构隧道研究的发展。

技术特征：

1.一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s1中所述数值计算模型的土层选择摩尔-库伦模型。

3.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s2中所述衬砌单元保留部分结点与土层的连接。

4.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s3中所述新环向连接是在六个自由度上的弹簧模型及其参数，参数包括刚度、内摩擦角、粘聚力和屈服强度。

5.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s4中所述新纵向连接是在六个自由度上的弹簧模型及其参数，参数包括弹簧刚度、内摩擦角、粘聚力和屈服强度。

6.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s3中所述新环向连接的y方向设置抗弯弹簧，x方向设置抗压弹簧，z方向设置抗剪弹簧。

7.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s4中所述新纵向连接的y方向设置抗压弹簧，x方向设置抗弯弹簧，z方向设置抗剪弹簧。

技术总结
一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，以较为真实的模拟盾构隧道衬砌的受力情况，真实的模拟了盾构隧道管片螺栓连接，实现盾构隧道螺栓连接过程的精细自动化，无需逐个寻找连接位置和设置连接属性，可以快速准确的建立出符合真实受力情况的盾构隧道管片连接模型，为研究盾构隧道在荷载和变形等作用下的响应提供依据。包括以下步骤：生成数值计算模型；开挖隧道设置第一环管片衬砌，并生成盾构隧道衬砌模型；设置盾构隧道管片环向连接；设置第二环管片衬砌和盾构隧道管片纵向连接；重复开挖，数值计算模型计算，通过fish语言重复前述各步骤，直至完成整个隧道开挖和设置连接单元的自动化处理。

技术研发人员：王宏超,殷召念,熊国兴,喻渝,张慧玲,卿伟宸,朱宏
受保护的技术使用者：中铁二院工程集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13