盾构隧道掘进数值模拟廖少明PPT课件

1、一、研究内容主要对下列问题进行深入研究： （1）隧道推进过程中的周围土体的移动规律及地面沉降规律 （2）相邻隧道轴线位移规律 （3）相邻隧道变形规律 （4）土压力、注浆压力等对上述规律的影响 （5）软土流变性对施工后土层和隧道应力、变形的长期影响。 Back第1页/共64页二、计算方法1、盾构施工过程的三维有限元模拟方法1.1 盾构推进的模拟1.2 有限元网格剖分1.3 计算中考虑的主要影响因素2、计算程序3、材料本构模型3.1 邓肯-张E-非线性弹性模型3.2 殷-Graham土体三维弹粘塑性模型Back第2页/共64页盾构推进引起周围土体的变形机理图盾构推进引起周围土体的变形机理图图中1、

2、2、3、4、5分别代表五种不同的变形机理：1由于盾构推进中正面土压力的不平衡而导致地层下沉或隆起，以及开挖面的崩裂；2由于盾构外壳与土体之间摩擦而导致地层隆起；3由于盾构姿态的变化引起地层损失而导致地层下沉；4由于盾构推进后的注浆引起的地层隆起及下沉；5由于以上四种作用，盾构推进后使周围土体产生超孔隙水压力和受到扰动而进行固结和蠕变导致地层下沉。第3页/共64页 开挖面土体 应力增加或释放。 盾构壳周围土体的剪切。盾尾空隙及盾构刀盘外径大于盾构外径引起的超挖。盾尾注浆。软粘土次固结。1.3 计算中考虑的主要影响因素 在本次分析计算中主要考虑了以下一些由于盾构推进引起隧道周围土体位移和地面沉降的

3、影响因素：BackContinue第4页/共64页1.1 盾构推进的模拟 假设盾构跳跃式向前推进，用改变单元材料类型的方法（刚度迁移法）来反映盾构的向前，同时施加相应的荷载。当前盾构机位置下一步盾构机位置卸荷单元 卸荷单元 管片单元 盾尾空隙单元 管片单元 盾尾空隙单元 浆液单元 浆液单元 开挖面 开挖面 1、盾构施工过程的三维有限元模拟方法第5页/共64页2、计算程序 计算采用的三维有限元程序为ANSYS，MARC，FLAC等计算软件。 根据盾构施工的特点，对盾构的推进、盾尾空隙与压浆等过程进行模拟，从而分析新隧道盾构对已建隧道的影响第6页/共64页1.2 有限元网格剖分 将该分析区域的分为

4、以下四段：水平平行推进段，由水平平行向垂直平行过渡段前、后两段，垂直平行推进段。水平平形向垂直平行过渡前半段水平平行垂直平行后半段第7页/共64页1.2 有限元网格剖分（续1）：各段三维有限元网格 第8页/共64页1.2 有限元网格剖分（续2）：有限元网格过渡情况示意第9页/共64页3、材料本构模型 本研究项目的计算中，土体本构模型主要采用了邓肯-张E-非线性弹性模型。混凝土管片和盾构机钢壳作为线弹性材料处理。流变计算采用了殷-Graham土体三维弹粘塑性模型。 3.1 邓肯张E E 非线性弹性模型naaftppKcRE32331sin2cos2)(sin1 (123)1 (lgApFGat第

5、10页/共64页四、有限元计算结果及分析1、隧道周围土体的位移场2、地表土体位移3、已建隧道管片变形和应力4、弹粘塑性模型计算结果5、新老隧道先后推进综合影响下的地面沉降Back第11页/共64页 1、隧道周围土体的位移场 水平平行推进情况下纵、横剖面位移矢位移矢量图量图0102030405060708090100110120130140150160-50-40-30-20-1000.003.46-80-70-60-50-40-30-20-10010203040506070-50-40-30-20-1000.002.22第12页/共64页 2、地表土体位移 水平平行推进情况下纵、横剖面地表土体

6、沉降曲地表土体沉降曲线线 -30-25-20-15-10-505-80-60-40-200204060(m)s(mm)开挖面前方10m开挖面盾尾处盾尾后20m沿新隧道轴线纵断面地表沉降线-30-25-20-15-10-5050.020.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0(m)s(mm)计算结果第13页/共64页3、已建隧道管片变形和应力 2.60 3.20 2.00 2.59 -0.50-0.50 -0.80-0.50 -1.99-1.50 -2.50 -2.00开挖面前方10m 盾尾后方20m 第14页/共64页5、新老隧道先后推进综合影响下的地面沉

7、降-4.0-3.0-2.0-1.00.0-70-40-10205080地表点位置(m)地面沉降(cm)由老隧道引起由新隧道引起新、老隧道综合影响 -4.0-3.0-2.0-1.00.0-70-50-30-1010305070地表点位置(m)地表沉降(cm)由老隧道引起由新隧道引起新、老隧道综合影响 -6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.0-75-45-15154575地表点位置(m)地表沉降(cm)由老隧道引起由新隧道引起新、老隧道综合影响 -10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.0-75-45-15154575地表点位置(m)地面沉降(cm)由老隧道引起由新隧道引起新、老

8、隧道综合影响 Back第15页/共64页五、施工隧道对已建隧道影响的研究1、假想新建隧道向已建隧道左下部过渡1）隧道周围土体的位移场2）已建隧道管片变形和应力2、施工隧道对已建隧道影响规律研究Back第16页/共64页1）隧道周围土体的位移场-80-70-60-50-40-30-20-10010203040506070-50-40-30-20-100-60-50-40-30-20-100102030405060-50-40-30-20-1001、假想新建隧道向已建隧道左下部过渡第17页/共64页1）隧道周围土体的位移场（续）-60-50-40-30-20-100102030405060-50-

9、40-30-20-100第18页/共64页2)已建隧道管片变形和应力 1.601.80 0.801.20 -0.500.50 -1.10-0.70 -1.49-1.10-1.80-1.50Back第19页/共64页2、施工隧道对已建隧道影响规律研究 已建隧道管片沉降与压缩模量的关系（左右平行）-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00500010000150002000025000压缩模量Es(kPa)沉降(cm)H=32mH=27m第20页/共64页已建隧道管片沉降与隧道埋深的关系已建隧道管片沉降与隧道埋深的关系（左右平行）第21页/共64页已建隧道管片位移与隧道间夹角

10、的关系已建隧道管片指向新建隧道方向位移与隧道间夹角的关系（间距4m） 0-90-60-300306090夹角(度）位移(cm)已建隧道管片最大位移第22页/共64页已建隧道管片最大位移与隧道间距离的关系已建隧道管片最大位移与隧道间距离的关系(新在上)0.80.901234567隧道间净间距（m）已建隧道管片位移（cm） 第23页/共64页已建隧道管片最大位移与隧道间距离的关系已建隧道管片最大位移与隧道间距离的关系(新在下) -2.2-1.8-1.4-1-0.6-0.201234567隧道间净间距（m ）已建隧道管片位移（c

11、m）Back第24页/共64页六、边界元分析方法Back第25页/共64页盾构近距离穿越施工力学解析（盾构近距离穿越施工力学解析（BEM)BEM)第26页/共64页第27页/共64页第28页/共64页第29页/共64页rtgRrrtgRtgrRL222212)(第30页/共64页第31页/共64页第32页/共64页第33页/共64页七 弹性边界影响问题第34页/共64页xyz zodL地平面地平面H h盾构S2S S1 1已建隧道24)1 ()(65. 012ggeqgEEIDEK第35页/共64页0.00.1020406080100GWx/m间距为50 m

12、间距为5 mz = 10.0m间距为40 m间距为50 m间距为20 m间距为10 m实际工程中弹性边界的存在，会改变盾构推进时引起的位移场的分布。通过计算表明：当盾构向弹性边界推进时，土层中位移波逐渐向前推进的同时，位移波中的波峰逐渐升高，且在盾构与弹性边界的距离达到某关键值时位移达到最大值，随后波峰开始下降；另外，盾构与弹性边界之间的竖向位移场的叠加作用及弹性边界对其后竖向位移场的屏蔽作用也越来越有效果。 第36页/共64页隆沉分析隆沉分析各因素影响隆起比较由此表可得结论：盾构头部对土体隆起的影响是盾构侧壁影响的两倍左右。工况4的纠偏情况：正面顶力引起的最大隆起：侧壁摩阻力起的最大隆起：纠

13、偏压力起的最大隆起0.29 ： 3.12 ： 0.136正面顶力引起的最大沉降：侧壁摩阻力起的最大沉降：纠偏压力起的最大沉降1.34 ： 14.74 ： 0.2 工况盾构头部影响b1 盾构侧壁影响b2 b1/b2 10.910.701.3121.100.542.0431.120.482.2941.040.412.54第37页/共64页 梁弹簧模型和梁接头模型荷载假设与上图的区别，主要是在地基抗力的计算上，修正惯用法中假设垂直方向上的地基抗力与地基位移无关，水平方向上的地基抗力，则是伴随衬砌向围岩方向的变形而产生。假设为三角形分布，在衬砌水平直径上下各45。中心角的范围内。作用在水平直径点上地基

14、抗力的大小与衬砌向围岩方向的水平变形成正比关系。八、隧道管片结构数值分析第38页/共64页横向设计计算理论M M M Ms Ms Mj vukkffsqnqsqnq221)(KeKKKMMj)1 (MMs)1 (荷载结构模型地层结构模型收敛限制模型地层移动理论 水位河底HhH竖向地层压力g拱背荷载2243. 0) 4/1 ( 2HTHTRRG(总合力)水平均布地层压力2P1P地层反力K水压力HRH 2lHRq平面梁弹簧模型三维空间模型平面梁接头模型荷载结构模型整体刚架计算模型错缝计算的-法第39页/共64页在梁弹簧模型，梁接头模型中地基弹簧的布置 分为局部地层弹簧模式和全周地层弹簧模式PgPg

15、局部地层弹簧模式 全周地层弹簧模式 第40页/共64页当地层抗力为零时，作用在衬砌上的荷载为静止荷载；当结构对地层产生挤压时为被动荷载，此时地层抗力为正；当结构与地层产生脱离时为主动荷载，此时地层抗力为负。地层弹性抗力由下式给出： 其中，式中， 分别为法向和切向的抗力， 为相应的地层弹簧系数，且 分别为被动区（压缩状态）和主动区（拉伸状态）的地层弹簧系数，对局部弹簧作用模式来说， 设计中赋为零值。在设计计算过程中，为判断主、被动区的确切位置，需以迭代法作变形控制分析。 ,nsFF,nsKK,KKK第41页/共64页计算方法介绍管片的离散化 在盾构隧道管片受力分析中，可将管片模拟成梁，假设隧道管

16、片材料处于弹性受力状态，对管片的离散有直梁和曲梁两种形式，而直梁模型是曲梁模型的一种特殊形式，数值计算结果表明，当剖分单元取得足够小时，完全可以由直梁模型代替曲梁模型，将复杂问题简单化，所以可将管片离散化为二结点六自由度的梁单元。 第42页/共64页惯用计算法 假设管片环是弯曲刚度均匀环的方法 不考虑管片接头部分的弯曲刚度降低、管片环是具有和管片主截面同样刚度 、且弯曲刚度均匀的环（完全均匀刚性环）的方法。EI第43页/共64页修正惯用计算法 将接头部分弯曲刚度的降低评价为环整体的弯曲刚度的降低、管片是具有 （弯曲刚度的有效率 ）弯曲刚度均匀的环（平均刚度均匀环）的方法。考虑到错接头的接头部分

17、弯矩的分配，在从根据 均匀弯曲刚度环计算出来的截面内力中，对弯矩考虑一个增减 （弯矩的提高率 ），设 为主截面的设计弯矩， 为接头的设计用弯矩。 EI1EI1(1)M(1)M第44页/共64页梁弹簧模型 在梁弹簧模型中，梁用于模型衬砌管片，可为直梁或曲梁，弹簧用于综合模拟管片接头的形式、螺栓和防水充填材料的性态。可分为两种模型(a) 曲梁接头模型 (b) 直梁接头模型 弹簧的轴向、剪切和转动效应分别用轴向刚度 、剪切刚度 和转动刚度 来描述。()nk()sk()k2nns112第45页/共64页dMkdk对计算结果最敏感的参数是接头刚度 ， 即接头刚度等于接头处弯矩的增量与接头处接缝的相对转角

18、的增量之比，它的大小直接影响到管片的总体刚度，从而影响管片的内力响应。获得接头刚度可以通过接头试验，理论计算，工程类比得到，根据现有资料 的取值通常 为104105kN.m/rad. k接头的轴向刚度和剪切刚度可以按照接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度设定。影响接头刚度的因素有很多，如螺栓的预紧力、管片本身的压缩变形以及接头防水材料等的影响，第46页/共64页梁接头模型 该模型从结构的非线性出发，引进非线性介质力学数值分析的古德曼（Goodman）单元德思想，这是点与点接触的接触单元。 2 1 s n 2 1 (a)直梁接头元 (b)曲梁接头元 第47页/共64页接头模式 线性模式 正负不对称 正负

19、对称 正负不对称第48页/共64页双线性模式 正负不对称 正负对称 正负不对称第49页/共64页非线性模式 正负不对称 正负对称 正负不对称第50页/共64页对错缝拼装的模拟 在设计过程中，对于管片拼装下环间接头的纵向加强作用可采用剪切模型模拟，剪切模型包括沿管片体的径向位移和环间位移。管片接头sn环间螺栓环间接头第51页/共64页程序中的名词解释环向螺栓：为了构成管片环，连接管片用的螺栓，以管片接头模拟螺栓的作用。纵向螺栓：管片环之间相互连接的螺栓，在曙光软件计算模型示意图中，以表示。管片接头：分为管片横向接头和纵向接头两种。横向接头指在隧道横断面上连接管片形成管片环的部分，在曙光计算模型示

20、意图中，以表示，纵向接头指管片环与管片环之间的螺栓连接。管片材料：在本程序中，按平面问题取1米进行计算截面的转动惯量，面积；弹性模量可以从相关手册上查的。第52页/共64页管片的拼装方式 单圆和双圆盾构隧道都有通缝和错缝两种拼装模式。其中单圆错缝有A-B-A, A-B-C两种方式（参看前面图形）。而双圆错缝只有A-B-A一种方式（参看下一张幻灯片）。第53页/共64页第54页/共64页基坑数值模拟第55页/共64页竖向平面计算 图1. k法计算模式 图2. 常数法、m法计算模式第56页/共64页顺作法设计计算原则超载：30kPa水土荷载：主动土压，水土分算围护结构开挖阶段模拟施工步骤按增量法计

21、算内力组合First Step : LC(1)Second Step: LC(1)+LC(2)Third Step: LC(1)+LC(2)+LC(3)Fourth Step:LC(1)+LC(2)+LC(3)+LC(4)FifthStep:LC(1)+LC(2)+LC(3)+LC(4)+LC(5)Sixth Step: LC(1)+LC(2)+LC(3)+LC(4)+LC(5)+LC(6)Seventh Step: LC(1)+LC(2)+LC(3)+LC(4)+LC(5)+LC(6)+LC(7) LC(1) LC(2) LC(1) LC(2) LC(3) LC(3) LC(4) LC(5)

22、 LC(4) LC(5) LC(6) LC(7) LC(6) LC(7) 图图 顺作基坑各工况荷载增量及计算模型顺作基坑各工况荷载增量及计算模型 第57页/共64页逆作法设计计算原则超载：30kPa水土荷载：主动土压，水土分算按增量法计算主体结构在施工阶段逐层计入结构自重荷载及当前层施工活荷载（3.5kPa）.补充结构使用阶段一次加荷计算内力组合First Step : LRC(1)Second Step: LRC(1)+LRC(2)Third Step: LRC(1)+LRC(2)+LRC(3)Fourth Step:LRC(1)+LRC(2)+LRC(3)+LRC(4)FifthStep:LRC(1)+LRC(2)+LRC(3)+LRC(4)+LRC(5)LRC(1)LRC(2) LRC(3)LRC4） LRC(5) 第58页/共64页由基坑挡墙位移推算地层位移场 有限单元法存在的问题：有限单元法存在的问题：1. 参数取值2. 边界条件不确定3. 计算结果可靠性不足解决方法：解决方法：基于平面荷载结构模型计算结