一种盾构掘进过程模拟方法

本申请属于隧道盾构，具体涉及一种盾构掘进过程模拟方法。

背景技术：

1、为分析盾构掘进过程中的机-土相互作用，现有研究已开发了大量的数值模型。相关技术中，尚未出现能够准确还原推进系统复杂机构特性的模型或建模方法。此外，在现有的盾构掘进过程模拟中，通常将盾构机的运动轨迹按照设计的隧道轴线进行预先定义，然后沿着该轨迹进行网格离散化，通过逐步的网格停用、激活来模拟其开挖、掘进过程。这种模拟方法中，没有对推进系统进行模拟，仅仅能够反映土压平衡盾构机在各个离散时间步下的状态，但是无法反映由推进系统驱动的连续盾构掘进运动，从而导致现有的数值模型难以分析现实中复杂的机-土相互作用。

2、因此，实有必要提供一种盾构掘进过程模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种盾构掘进过程模拟方法，通过构建推进系统的简化模型，并以简化模型为基础进行有限元模拟，可以有效反映土压平衡盾构机在液压油缸推进系统驱动下的运行状态，使得模拟结果可以更加真实的反映实际盾构掘进过程；在计算中，根据前一次的模拟结果实时进行网格更新，由于盾构机继承了前次模拟的位置和姿态，避免了现有技术中基于离散时间步的模拟方法无法重现盾构运动连续性的缺陷，具有模拟由液压油缸推进系统驱动的盾构连续掘进过程的能力。

2、为解决上述技术问题，本申请的技术方案在于：

3、一种盾构掘进过程模拟方法，包括如下步骤：

4、s1：构建土压平衡盾构机模型，包括盾体单元、推进系统单元、刀盘单元及土舱单元，其中，所述推进系统单元采用4-sps并联机构来简化代替土压平衡盾构机内由多个液压油缸组成的推进系统，所述4-sps并联机构包括4根sps运动链，用于表征多个液压油缸分组划分形成的四个分区，单根所述sps运动链包括依次连接的第一球铰、棱柱关节及第二球铰，所述第一球铰用于表征所述液压油缸与盾体中压力隔板的铰接关系，所述棱柱关节用于表征所述液压油缸的伸缩特性，第二球铰用于表征所述液压油缸与管片的铰接关系；

5、s2：构建土舱压力预测算法，预测土舱单元内的压力，模拟土舱压力的空间变异性，所述土舱压力预测算法表示为：

6、 p( θ, r)=[  a+ bcos( θ)+ csin( θ)+ dcos (2 θ)] g( r)；

7、式中， p( θ, r)表示土舱单元内的预测压力； θ、 r分别表示以土舱单元几何中心为极点，竖直向上为极轴的极坐标系中的极角和极径； g( r)表示径向系数； a、 b、 c、 d分别表示均值项、上下梯度项、左右梯度项及局部异质项的特征系数；

8、s3：基于有限元分析方法，按照设计的隧道轴线预定义土压平衡盾构机的运行轨迹，沿着所述运行轨迹对土压平衡盾构机模型及周围地层土体进行网格离散化，得到初始网格，进行一次有限元模拟，获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性；所述推进系统单元执行推进功能后，从所述初始网格中提取掌子面边界和围岩边界，在掌子面边界和围岩边界所描绘的地面域中生成一组新网格，将前次有限元模拟中的土压平衡盾构机模型网格导入至新网格，并将前次有限元模拟输出数据库中记录的解变量映射到新网格中，进行新一次有限元模拟，重新获取地层土体在盾构掘进过程中的应力应变特性。

9、优选的，所述推进系统共包括24个驱动油缸，按照4：6：8：6的比例划分为四个分区，每个分区内的多个液压油缸油路共享互连，每个分区由一根所述sps运动链来简化代替。

10、优选的，在对所述土压平衡盾构机模型进行有限元模拟时，将一个分区内液压油缸区域的中点定义为参考点，以位于压力隔板和管片上相对应的两个参考点来建立连接单元，连接单元相对参考点自由旋转，通过连接单元的轴向伸长量来模拟液压油缸的推进。

11、优选的，步骤s3中，在网格映射完成之后，执行一个平衡步，以避免数值不收敛。

12、优选的，步骤s2中，特征系数 a、 b、 c、 d通过机器学习的方式预测得到。

13、本申请的有益效果在于：

14、（1）通过构建推进系统的简化模型，并以简化模型为基础进行有限元模拟，可以有效反映土压平衡盾构机在推进系统驱动下的运行状态，使得模拟结果可以更加真实的反映实际盾构掘进过程；

15、（2）在计算过程中，根据前一次的模拟结果实时的对网格进行更新，由于继承了前次模拟的位置和姿态，避免了现有技术中基于离散时间步的模拟方法无法重现盾构运动连续性的缺陷，使得该方法具有模拟连续盾构掘进过程的能力；

16、（3）划分的网格在实时更新，可以避免网格出现较大扭曲变形导致的计算中断。

技术特征：

1.一种盾构掘进过程模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述推进系统共包括24个驱动油缸，按照4：6：8：6的比例划分为四个分区，每个分区内的多个液压油缸油路共享互连，每个分区由一根所述sps运动链来简化代替。

3.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在对所述土压平衡盾构机模型进行有限元模拟时，将一个分区内液压油缸区域的中点定义为参考点，以位于压力隔板和管片上相对应的两个参考点来建立连接单元，连接单元相对参考点自由旋转，通过连接单元的轴向伸长量来模拟液压油缸的推进。

4.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤s3中，在网格映射完成之后，执行一个平衡步，以避免数值不收敛。

5.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤s2中，特征系数a、b、c、d通过机器学习的方式预测得到。

技术总结
本申请提供一种盾构掘进过程模拟方法，属于隧道盾构技术领域。本申请通过构建推进系统的简化模型，并以简化模型为基础进行有限元模拟，可以有效反映土压平衡盾构机在液压油缸推进系统驱动下的运行状态，使得模拟结果可以更加真实的反映实际盾构掘进过程；在计算中，根据前一次的模拟结果实时进行网格更新，由于盾构机继承了前次模拟的位置和姿态，避免了现有技术中基于离散时间步的模拟方法无法重现盾构运动连续性的缺陷，具有模拟由液压油缸推进系统驱动的盾构连续掘进过程的能力。

技术研发人员：张超,龚杨凯,陈仁朋,耿自恒,任昱豪,雷军,杨子汉
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24