盾構(gòu)隧道掘進(jìn)數(shù)值模擬廖少明PPT課件

1、一、研究?jī)?nèi)容主要對(duì)下列問(wèn)題進(jìn)行深入研究： （1）隧道推進(jìn)過(guò)程中的周?chē)馏w的移動(dòng)規(guī)律及地面沉降規(guī)律 （2）相鄰隧道軸線(xiàn)位移規(guī)律 （3）相鄰隧道變形規(guī)律 （4）土壓力、注漿壓力等對(duì)上述規(guī)律的影響 （5）軟土流變性對(duì)施工后土層和隧道應(yīng)力、變形的長(zhǎng)期影響。 Back第1頁(yè)/共64頁(yè)二、計(jì)算方法1、盾構(gòu)施工過(guò)程的三維有限元模擬方法1.1 盾構(gòu)推進(jìn)的模擬1.2 有限元網(wǎng)格剖分1.3 計(jì)算中考慮的主要影響因素2、計(jì)算程序3、材料本構(gòu)模型3.1 鄧肯-張E-非線(xiàn)性彈性模型3.2 殷-Graham土體三維彈粘塑性模型Back第2頁(yè)/共64頁(yè)盾構(gòu)推進(jìn)引起周?chē)馏w的變形機(jī)理圖盾構(gòu)推進(jìn)引起周?chē)馏w的變形機(jī)理圖圖中1、

2、2、3、4、5分別代表五種不同的變形機(jī)理：1由于盾構(gòu)推進(jìn)中正面土壓力的不平衡而導(dǎo)致地層下沉或隆起，以及開(kāi)挖面的崩裂；2由于盾構(gòu)外殼與土體之間摩擦而導(dǎo)致地層隆起；3由于盾構(gòu)姿態(tài)的變化引起地層損失而導(dǎo)致地層下沉；4由于盾構(gòu)推進(jìn)后的注漿引起的地層隆起及下沉；5由于以上四種作用，盾構(gòu)推進(jìn)后使周?chē)馏w產(chǎn)生超孔隙水壓力和受到擾動(dòng)而進(jìn)行固結(jié)和蠕變導(dǎo)致地層下沉。第3頁(yè)/共64頁(yè) 開(kāi)挖面土體 應(yīng)力增加或釋放。 盾構(gòu)殼周?chē)馏w的剪切。盾尾空隙及盾構(gòu)刀盤(pán)外徑大于盾構(gòu)外徑引起的超挖。盾尾注漿。軟粘土次固結(jié)。1.3 計(jì)算中考慮的主要影響因素 在本次分析計(jì)算中主要考慮了以下一些由于盾構(gòu)推進(jìn)引起隧道周?chē)馏w位移和地面沉降的

3、影響因素：BackContinue第4頁(yè)/共64頁(yè)1.1 盾構(gòu)推進(jìn)的模擬 假設(shè)盾構(gòu)跳躍式向前推進(jìn)，用改變單元材料類(lèi)型的方法（剛度遷移法）來(lái)反映盾構(gòu)的向前，同時(shí)施加相應(yīng)的荷載。當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)位置下一步盾構(gòu)機(jī)位置卸荷單元 卸荷單元 管片單元 盾尾空隙單元 管片單元 盾尾空隙單元 漿液?jiǎn)卧?漿液?jiǎn)卧?開(kāi)挖面 開(kāi)挖面 1、盾構(gòu)施工過(guò)程的三維有限元模擬方法第5頁(yè)/共64頁(yè)2、計(jì)算程序 計(jì)算采用的三維有限元程序?yàn)锳NSYS，MARC，F(xiàn)LAC等計(jì)算軟件。 根據(jù)盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)的推進(jìn)、盾尾空隙與壓漿等過(guò)程進(jìn)行模擬，從而分析新隧道盾構(gòu)對(duì)已建隧道的影響第6頁(yè)/共64頁(yè)1.2 有限元網(wǎng)格剖分 將該分析區(qū)域的分為

4、以下四段：水平平行推進(jìn)段，由水平平行向垂直平行過(guò)渡段前、后兩段，垂直平行推進(jìn)段。水平平形向垂直平行過(guò)渡前半段水平平行垂直平行后半段第7頁(yè)/共64頁(yè)1.2 有限元網(wǎng)格剖分（續(xù)1）：各段三維有限元網(wǎng)格 第8頁(yè)/共64頁(yè)1.2 有限元網(wǎng)格剖分（續(xù)2）：有限元網(wǎng)格過(guò)渡情況示意第9頁(yè)/共64頁(yè)3、材料本構(gòu)模型 本研究項(xiàng)目的計(jì)算中，土體本構(gòu)模型主要采用了鄧肯-張E-非線(xiàn)性彈性模型?；炷凉芷投軜?gòu)機(jī)鋼殼作為線(xiàn)彈性材料處理。流變計(jì)算采用了殷-Graham土體三維彈粘塑性模型。 3.1 鄧肯張E E 非線(xiàn)性彈性模型naaftppKcRE32331sin2cos2)(sin1 (123)1 (lgApFGat第

5、10頁(yè)/共64頁(yè)四、有限元計(jì)算結(jié)果及分析1、隧道周?chē)馏w的位移場(chǎng)2、地表土體位移3、已建隧道管片變形和應(yīng)力4、彈粘塑性模型計(jì)算結(jié)果5、新老隧道先后推進(jìn)綜合影響下的地面沉降Back第11頁(yè)/共64頁(yè) 1、隧道周?chē)馏w的位移場(chǎng) 水平平行推進(jìn)情況下縱、橫剖面位移矢位移矢量圖量圖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頁(yè)/共64頁(yè) 2、地表土體位移 水平平行推進(jìn)情況下縱、橫剖面地表土體

6、沉降曲地表土體沉降曲線(xiàn)線(xiàn) -30-25-20-15-10-505-80-60-40-200204060(m)s(mm)開(kāi)挖面前方10m開(kāi)挖面盾尾處盾尾后20m沿新隧道軸線(xiàn)縱斷面地表沉降線(xiàn)-30-25-20-15-10-5050.020.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0(m)s(mm)計(jì)算結(jié)果第13頁(yè)/共64頁(yè)3、已建隧道管片變形和應(yīng)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開(kāi)挖面前方10m 盾尾后方20m 第14頁(yè)/共64頁(yè)5、新老隧道先后推進(jìn)綜合影響下的地面沉

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

8、隧道綜合影響 Back第15頁(yè)/共64頁(yè)五、施工隧道對(duì)已建隧道影響的研究1、假想新建隧道向已建隧道左下部過(guò)渡1）隧道周?chē)馏w的位移場(chǎng)2）已建隧道管片變形和應(yīng)力2、施工隧道對(duì)已建隧道影響規(guī)律研究Back第16頁(yè)/共64頁(yè)1）隧道周?chē)馏w的位移場(chǎng)-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過(guò)渡第17頁(yè)/共64頁(yè)1）隧道周?chē)馏w的位移場(chǎng)（續(xù)）-60-50-40-30-20-100102030405060-50-

9、40-30-20-100第18頁(yè)/共64頁(yè)2)已建隧道管片變形和應(yīng)力 1.601.80 0.801.20 -0.500.50 -1.10-0.70 -1.49-1.10-1.80-1.50Back第19頁(yè)/共64頁(yè)2、施工隧道對(duì)已建隧道影響規(guī)律研究 已建隧道管片沉降與壓縮模量的關(guān)系（左右平行）-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00500010000150002000025000壓縮模量Es(kPa)沉降(cm)H=32mH=27m第20頁(yè)/共64頁(yè)已建隧道管片沉降與隧道埋深的關(guān)系已建隧道管片沉降與隧道埋深的關(guān)系（左右平行）第21頁(yè)/共64頁(yè)已建隧道管片位移與隧道間夾角

10、的關(guān)系已建隧道管片指向新建隧道方向位移與隧道間夾角的關(guān)系（間距4m） 0-90-60-300306090夾角(度）位移(cm)已建隧道管片最大位移第22頁(yè)/共64頁(yè)已建隧道管片最大位移與隧道間距離的關(guān)系已建隧道管片最大位移與隧道間距離的關(guān)系(新在上)0.80.901234567隧道間凈間距（m）已建隧道管片位移（cm） 第23頁(yè)/共64頁(yè)已建隧道管片最大位移與隧道間距離的關(guān)系已建隧道管片最大位移與隧道間距離的關(guān)系(新在下) -2.2-1.8-1.4-1-0.6-0.201234567隧道間凈間距（m ）已建隧道管片位移（c

11、m）Back第24頁(yè)/共64頁(yè)六、邊界元分析方法Back第25頁(yè)/共64頁(yè)盾構(gòu)近距離穿越施工力學(xué)解析（盾構(gòu)近距離穿越施工力學(xué)解析（BEM)BEM)第26頁(yè)/共64頁(yè)第27頁(yè)/共64頁(yè)第28頁(yè)/共64頁(yè)第29頁(yè)/共64頁(yè)rtgRrrtgRtgrRL222212)(第30頁(yè)/共64頁(yè)第31頁(yè)/共64頁(yè)第32頁(yè)/共64頁(yè)第33頁(yè)/共64頁(yè)七 彈性邊界影響問(wèn)題第34頁(yè)/共64頁(yè)xyz zodL地平面地平面H h盾構(gòu)S2S S1 1已建隧道24)1 ()(65. 012ggeqgEEIDEK第35頁(yè)/共64頁(yè)0.00.1020406080100GWx/m間距為50 m

12、間距為5 mz = 10.0m間距為40 m間距為50 m間距為20 m間距為10 m實(shí)際工程中彈性邊界的存在，會(huì)改變盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)引起的位移場(chǎng)的分布。通過(guò)計(jì)算表明：當(dāng)盾構(gòu)向彈性邊界推進(jìn)時(shí)，土層中位移波逐漸向前推進(jìn)的同時(shí)，位移波中的波峰逐漸升高，且在盾構(gòu)與彈性邊界的距離達(dá)到某關(guān)鍵值時(shí)位移達(dá)到最大值，隨后波峰開(kāi)始下降；另外，盾構(gòu)與彈性邊界之間的豎向位移場(chǎng)的疊加作用及彈性邊界對(duì)其后豎向位移場(chǎng)的屏蔽作用也越來(lái)越有效果。 第36頁(yè)/共64頁(yè)隆沉分析隆沉分析各因素影響隆起比較由此表可得結(jié)論：盾構(gòu)頭部對(duì)土體隆起的影響是盾構(gòu)側(cè)壁影響的兩倍左右。工況4的糾偏情況：正面頂力引起的最大隆起：側(cè)壁摩阻力起的最大隆起：糾

13、偏壓力起的最大隆起0.29 ： 3.12 ： 0.136正面頂力引起的最大沉降：側(cè)壁摩阻力起的最大沉降：糾偏壓力起的最大沉降1.34 ： 14.74 ： 0.2 工況盾構(gòu)頭部影響b1 盾構(gòu)側(cè)壁影響b2 b1/b2 10.910.701.3121.100.542.0431.120.482.2941.040.412.54第37頁(yè)/共64頁(yè) 梁彈簧模型和梁接頭模型荷載假設(shè)與上圖的區(qū)別，主要是在地基抗力的計(jì)算上，修正慣用法中假設(shè)垂直方向上的地基抗力與地基位移無(wú)關(guān)，水平方向上的地基抗力，則是伴隨襯砌向圍巖方向的變形而產(chǎn)生。假設(shè)為三角形分布，在襯砌水平直徑上下各45。中心角的范圍內(nèi)。作用在水平直徑點(diǎn)上地基

14、抗力的大小與襯砌向圍巖方向的水平變形成正比關(guān)系。八、隧道管片結(jié)構(gòu)數(shù)值分析第38頁(yè)/共64頁(yè)橫向設(shè)計(jì)計(jì)算理論M M M Ms Ms Mj vukkffsqnqsqnq221)(KeKKKMMj)1 (MMs)1 (荷載結(jié)構(gòu)模型地層結(jié)構(gòu)模型收斂限制模型地層移動(dòng)理論 水位河底HhH豎向地層壓力g拱背荷載2243. 0) 4/1 ( 2HTHTRRG(總合力)水平均布地層壓力2P1P地層反力K水壓力HRH 2lHRq平面梁彈簧模型三維空間模型平面梁接頭模型荷載結(jié)構(gòu)模型整體剛架計(jì)算模型錯(cuò)縫計(jì)算的-法第39頁(yè)/共64頁(yè)在梁彈簧模型，梁接頭模型中地基彈簧的布置 分為局部地層彈簧模式和全周地層彈簧模式PgPg

15、局部地層彈簧模式 全周地層彈簧模式 第40頁(yè)/共64頁(yè)當(dāng)?shù)貙涌沽榱銜r(shí)，作用在襯砌上的荷載為靜止荷載；當(dāng)結(jié)構(gòu)對(duì)地層產(chǎn)生擠壓時(shí)為被動(dòng)荷載，此時(shí)地層抗力為正；當(dāng)結(jié)構(gòu)與地層產(chǎn)生脫離時(shí)為主動(dòng)荷載，此時(shí)地層抗力為負(fù)。地層彈性抗力由下式給出： 其中，式中， 分別為法向和切向的抗力， 為相應(yīng)的地層彈簧系數(shù)，且 分別為被動(dòng)區(qū)（壓縮狀態(tài)）和主動(dòng)區(qū)（拉伸狀態(tài)）的地層彈簧系數(shù)，對(duì)局部彈簧作用模式來(lái)說(shuō)， 設(shè)計(jì)中賦為零值。在設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，為判斷主、被動(dòng)區(qū)的確切位置，需以迭代法作變形控制分析。 ,nsFF,nsKK,KKK第41頁(yè)/共64頁(yè)計(jì)算方法介紹管片的離散化 在盾構(gòu)隧道管片受力分析中，可將管片模擬成梁，假設(shè)隧道管

16、片材料處于彈性受力狀態(tài)，對(duì)管片的離散有直梁和曲梁兩種形式，而直梁模型是曲梁模型的一種特殊形式，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)剖分單元取得足夠小時(shí)，完全可以由直梁模型代替曲梁模型，將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，所以可將管片離散化為二結(jié)點(diǎn)六自由度的梁?jiǎn)卧?第42頁(yè)/共64頁(yè)慣用計(jì)算法 假設(shè)管片環(huán)是彎曲剛度均勻環(huán)的方法 不考慮管片接頭部分的彎曲剛度降低、管片環(huán)是具有和管片主截面同樣剛度 、且彎曲剛度均勻的環(huán)（完全均勻剛性環(huán)）的方法。EI第43頁(yè)/共64頁(yè)修正慣用計(jì)算法 將接頭部分彎曲剛度的降低評(píng)價(jià)為環(huán)整體的彎曲剛度的降低、管片是具有 （彎曲剛度的有效率 ）彎曲剛度均勻的環(huán)（平均剛度均勻環(huán)）的方法?？紤]到錯(cuò)接頭的接頭部分

17、彎矩的分配，在從根據(jù) 均勻彎曲剛度環(huán)計(jì)算出來(lái)的截面內(nèi)力中，對(duì)彎矩考慮一個(gè)增減 （彎矩的提高率 ），設(shè) 為主截面的設(shè)計(jì)彎矩， 為接頭的設(shè)計(jì)用彎矩。 EI1EI1(1)M(1)M第44頁(yè)/共64頁(yè)梁彈簧模型 在梁彈簧模型中，梁用于模型襯砌管片，可為直梁或曲梁，彈簧用于綜合模擬管片接頭的形式、螺栓和防水充填材料的性態(tài)。可分為兩種模型(a) 曲梁接頭模型 (b) 直梁接頭模型 彈簧的軸向、剪切和轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)分別用軸向剛度 、剪切剛度 和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度 來(lái)描述。()nk()sk()k2nns112第45頁(yè)/共64頁(yè)dMkdk對(duì)計(jì)算結(jié)果最敏感的參數(shù)是接頭剛度 ， 即接頭剛度等于接頭處彎矩的增量與接頭處接縫的相對(duì)轉(zhuǎn)角

18、的增量之比，它的大小直接影響到管片的總體剛度，從而影響管片的內(nèi)力響應(yīng)。獲得接頭剛度可以通過(guò)接頭試驗(yàn)，理論計(jì)算，工程類(lèi)比得到，根據(jù)現(xiàn)有資料 的取值通常 為104105kN.m/rad. k接頭的軸向剛度和剪切剛度可以按照接頭螺栓的軸向剛度和剪切剛度設(shè)定。影響接頭剛度的因素有很多，如螺栓的預(yù)緊力、管片本身的壓縮變形以及接頭防水材料等的影響，第46頁(yè)/共64頁(yè)梁接頭模型 該模型從結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性出發(fā)，引進(jìn)非線(xiàn)性介質(zhì)力學(xué)數(shù)值分析的古德曼（Goodman）單元德思想，這是點(diǎn)與點(diǎn)接觸的接觸單元。 2 1 s n 2 1 (a)直梁接頭元 (b)曲梁接頭元 第47頁(yè)/共64頁(yè)接頭模式 線(xiàn)性模式 正負(fù)不對(duì)稱(chēng) 正負(fù)

19、對(duì)稱(chēng) 正負(fù)不對(duì)稱(chēng)第48頁(yè)/共64頁(yè)雙線(xiàn)性模式 正負(fù)不對(duì)稱(chēng) 正負(fù)對(duì)稱(chēng) 正負(fù)不對(duì)稱(chēng)第49頁(yè)/共64頁(yè)非線(xiàn)性模式 正負(fù)不對(duì)稱(chēng) 正負(fù)對(duì)稱(chēng) 正負(fù)不對(duì)稱(chēng)第50頁(yè)/共64頁(yè)對(duì)錯(cuò)縫拼裝的模擬 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于管片拼裝下環(huán)間接頭的縱向加強(qiáng)作用可采用剪切模型模擬，剪切模型包括沿管片體的徑向位移和環(huán)間位移。管片接頭sn環(huán)間螺栓環(huán)間接頭第51頁(yè)/共64頁(yè)程序中的名詞解釋環(huán)向螺栓：為了構(gòu)成管片環(huán)，連接管片用的螺栓，以管片接頭模擬螺栓的作用?？v向螺栓：管片環(huán)之間相互連接的螺栓，在曙光軟件計(jì)算模型示意圖中，以表示。管片接頭：分為管片橫向接頭和縱向接頭兩種。橫向接頭指在隧道橫斷面上連接管片形成管片環(huán)的部分，在曙光計(jì)算模型示

20、意圖中，以表示，縱向接頭指管片環(huán)與管片環(huán)之間的螺栓連接。管片材料：在本程序中，按平面問(wèn)題取1米進(jìn)行計(jì)算截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，面積；彈性模量可以從相關(guān)手冊(cè)上查的。第52頁(yè)/共64頁(yè)管片的拼裝方式 單圓和雙圓盾構(gòu)隧道都有通縫和錯(cuò)縫兩種拼裝模式。其中單圓錯(cuò)縫有A-B-A, A-B-C兩種方式（參看前面圖形）。而雙圓錯(cuò)縫只有A-B-A一種方式（參看下一張幻燈片）。第53頁(yè)/共64頁(yè)第54頁(yè)/共64頁(yè)基坑數(shù)值模擬第55頁(yè)/共64頁(yè)豎向平面計(jì)算 圖1. k法計(jì)算模式 圖2. 常數(shù)法、m法計(jì)算模式第56頁(yè)/共64頁(yè)順作法設(shè)計(jì)計(jì)算原則超載：30kPa水土荷載：主動(dòng)土壓，水土分算圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖階段模擬施工步驟按增量法計(jì)

21、算內(nèi)力組合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) 圖圖 順作基坑各工況荷載增量及計(jì)算模型順作基坑各工況荷載增量及計(jì)算模型 第57頁(yè)/共64頁(yè)逆作法設(shè)計(jì)計(jì)算原則超載：30kPa水土荷載：主動(dòng)土壓，水土分算按增量法計(jì)算主體結(jié)構(gòu)在施工階段逐層計(jì)入結(jié)構(gòu)自重荷載及當(dāng)前層施工活荷載（3.5kPa）.補(bǔ)充結(jié)構(gòu)使用階段一次加荷計(jì)算內(nèi)力組合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頁(yè)/共64頁(yè)由基坑擋墻位移推算地層位移場(chǎng) 有限單元法存在的問(wèn)題：有限單元法存在的問(wèn)題：1. 參數(shù)取值2. 邊界條件不確定3. 計(jì)算結(jié)果可靠性不足解決方法：解決方法：基于平面荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)