基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法，包括步骤1、建立基本有限元模型；步骤2、网格划分；步骤3、施加边界条件；步骤4、平衡地应力；步骤5、施加掌子面位移边界条件；步骤6、施加径向表面位移；步骤7、隧道开挖；步骤8、施加预设位移边界条件；步骤9、重复步骤5至步骤8，继续下一预开挖隧道段的施工，直至整条待分析隧道开挖完成。本发明专利技术能简化隧道开挖具体施工过程的模拟，精准模拟隧道开挖所致地层损失效应，适用于开展隧道施工所致地层损失效应对周围环境及建（构）筑物的影响分析。（构）筑物的影响分析。（构）筑物的影响分析。

【技术实现步骤摘要】
基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程数值分析领域，特别是一种基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法。

技术介绍

[0002]随着现代城市地下空间的开发，地铁隧道施工对周围环境的影响已经成为人们十分关注的问题之一，隧道的开挖将不可避免地扰动地下岩土体，造成周围土体的应力及位移的变化，影响临近建筑物的桩基安全和地下管线的正常使用。数值分析方法是研究此类问题较为理想的一种研究方法，目前应用较多的是采用受力控制有限元法(FCM)，但是该方法较难准确模拟隧道开挖所致的地层损失效应。为了避免传统的隧道开挖三维数值模拟技术(FCM)复杂的建模过程，弥补其难以精准控制给定的地层损失率的缺点，本专利技术介绍了一种基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法，该方法简化了隧道施工步骤，节省计算成本，同时可精准模拟隧道开挖所致的地层损失率，可较好地用于开展隧道施工所致地层损失效应对周围环境及建(构)筑物的影响分析。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法，该基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法能结合现场实测数据建立相应的位移边界条件，亦可精准模拟特定地层损失率条件下，隧道开挖对周围环境及建(构)筑物的影响。简化实际工程中具体的隧道开挖步骤，节省计算成本，具有较大的推广应用价值。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
>[0005]一种基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法，包括如下步骤。
[0006]步骤1、建立基本有限元模型，包括如下步骤。
[0007]步骤1A、建立基本有限元模型：建立包含待分析隧道的基本有限元模型；待分析隧道的隧道中心至基本有限元模型上下边界的距离不小于待分析隧道开挖截面直径的2倍；待分析隧道的隧道中心至基本有限元模型左右边界的距离不小于待分析隧道开挖截面直径的5倍。
[0008]步骤1B、建立模型坐标系：以长方体左下方的一个角点为坐标原点O，以连接坐标原点O的三条直角边分别为X轴、Y轴和Z轴，从而建立模型坐标系O
‑
XYZ；其中，X轴、Y轴和Z轴分别对应基本有限元模型的长度方向、宽度方向和高度方向；待分析隧道的长度方向沿模型坐标系O
‑
XYZ的Y轴方向。
[0009]步骤1C、划分岩土层：根据待分析隧道实际所处岩土特性，对基本有限元模型进行岩土层划分，使其与待分析隧道实际所处岩土特性保持一致。
[0010]步骤2、网格划分，具体包括如下步骤。
[0011]步骤2A、标注重点关注部位：根据待分析隧道实际所处环境特点，获得待分析隧道
的重点关注部位；重点关注部位包括待分析隧道自身的重点结构和位置、待分析隧道外侧的重要结构物及位置；接着，将获得的重点关注部位在步骤1建立的基本有限元模型中进行标注。
[0012]步骤2B、网格划分：对步骤1建立的基本有限元模型，进行网格划分；对步骤2A中标注的重点关注部位，进行加密网格划分。
[0013]步骤3、施加边界条件：对划分网格后的基本有限元模型施加边界条件；边界条件包括位移边界条件和荷载边界条件；位移边界条件包括施加在基本有限元模型底部的固定支座、以及施加在基本有限元模型四周的铰支座；荷载边界条件包括对基本有限元模型施加的重力荷载。
[0014]步骤4、平衡地应力：对施加边界条件后的基本有限元模型，根据步骤1C划分的各个岩土层，分别赋予对应静止侧压力系数K0，从而使得各岩土层在满足竖向位移保持不变的同时，能够达到初始地应力状态。
[0015]步骤5、施加掌子面位移边界条件：对基本有限元模型中待分析隧道的预开挖隧道段，施加掌子面位移边界条件，限制预开挖隧道段前方掌子面的水平位移，防止预开挖段土体移除后，掌子面发生失稳坍塌现象。
[0016]步骤6、施加径向表面位移：对基本有限元模型中待分析隧道的预开挖隧道段，施加径向表面位移，限制预开挖隧道段的岩土体径向位移，防止岩土体开挖移除后隧道围岩发生失稳坍塌现象。
[0017]步骤7、隧道开挖：将待分析隧道中预开挖隧道段内的岩土体进行开挖与移除。
[0018]步骤8、施加预设位移边界条件：在步骤7移除预开挖隧道段内岩土体的同时，对预开挖隧道段的环向施加预设位移边界条件，以此重现隧道开挖所致地层损失效应；其中，预设位移边界条件为：将开挖截面的收缩位移表达为关于地层损失率的函数。
[0019]步骤9、重复步骤5至步骤8，继续下一预开挖隧道段的施工，直至整条待分析隧道开挖完成。
[0020]步骤8中，预设位移边界条件的确定方法，包括如下步骤。
[0021]步骤8A、确定地层损失率ε0：根据实际工程中，待分析隧道所采用的隧道施工工艺及隧道穿越地层进行综合确定。
[0022]步骤8B、确定开挖截面收缩系数g0，具体表达式为：
[0023][0024]式中，R
T
为待分析隧道的设计截面半径。
[0025]步骤8C、确定开挖截面的收缩位移表达式：针对预开挖隧道段的开挖截面，设待分析隧道的设计截面中心为圆心o，过圆心o且平行于X轴的方向为x轴，过圆心o且平行于Z轴的方向为z轴，从而建立待分析隧道的掌子面坐标系o
‑
xyz；则开挖截面上某点i在x向和z向上的收缩位移表达式分别为：
[0026][0027][0028]式中，为开挖截面上某点i在x向上的收缩位移。
[0029]为开挖截面上某点i在z向上的收缩位移。
[0030]θ为开挖截面上某点i和圆心o连线与x轴之间的夹角。
[0031]步骤8A中，当需研究地层损失率为a工况下，隧道开挖对周围环境及建筑物的影响时，则ε0＝a。
[0032]步骤1A中，待分析隧道的隧道开挖截面直径尺寸为2R
T
+g0。
[0033]步骤7中，采用杀死模型单元的方法，将待分析隧道中预开挖隧道段内的网格岩土体进行开挖与移除。
[0034]本专利技术具有如下有益效果：
[0035](1)本专利技术在建模分析中可简化隧道工程中复杂的施工过程，节省建模时间和计算分析的时间。
[0036](2)可精准模拟隧道开挖所致的地层损失率，较好地用于开展隧道施工所致地层损失效应对周围环境及建(构)筑物的影响分析。
附图说明
[0037]图1显示了本专利技术基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法的流程图。
[0038]图2显示了划分网格后的基本有限元模型的结构示意图。
[0039]图3显示了开挖截面的收缩位移示意图。
[0040]其中有：
[0041]100.基本有限元模型；110.待分析隧道；
[0042]200.加密网格；300.固定支座；400.铰支座；500.开挖截面；600.设计截面。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地层损失率的隧道开挖三维数值分析位移控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、建立基本有限元模型，包括如下步骤：步骤1A、建立基本有限元模型：建立包含待分析隧道的基本有限元模型；待分析隧道的隧道中心至基本有限元模型上下边界的距离不小于待分析隧道开挖截面直径的2倍；待分析隧道的隧道中心至基本有限元模型左右边界的距离不小于待分析隧道开挖截面直径的5倍；步骤1B、建立模型坐标系：以长方体左下方的一个角点为坐标原点O，以连接坐标原点O的三条直角边分别为X轴、Y轴和Z轴，从而建立模型坐标系O
‑
XYZ；其中，X轴、Y轴和Z轴分别对应基本有限元模型的长度方向、宽度方向和高度方向；待分析隧道的长度方向沿模型坐标系O
‑
XYZ的Y轴方向；步骤1C、划分岩土层：根据待分析隧道实际所处岩土特性，对基本有限元模型进行岩土层划分，使其与待分析隧道实际所处岩土特性保持一致；步骤2、网格划分，具体包括如下步骤：步骤2A、标注重点关注部位：根据待分析隧道实际所处环境特点，获得待分析隧道的重点关注部位；重点关注部位包括待分析隧道自身的重点结构和位置、待分析隧道外侧的重要结构物及位置；接着，将获得的重点关注部位在步骤1建立的基本有限元模型中进行标注；步骤2B、网格划分：对步骤1建立的基本有限元模型，进行网格划分；对步骤2A中标注的重点关注部位，进行加密网格划分；步骤3、施加边界条件：对划分网格后的基本有限元模型施加边界条件；边界条件包括位移边界条件和荷载边界条件；位移边界条件包括施加在基本有限元模型底部的固定支座、以及施加在基本有限元模型四周的铰支座；荷载边界条件包括对基本有限元模型施加的重力荷载；步骤4、平衡地应力：对施加边界条件后的基本有限元模型，根据步骤1C划分的各个岩土层，分别赋予对应静止侧压力系数K0，从而使得各岩土层在满足竖向位移保持不变的同时，能够达到初始地应力状态；步骤5、施加掌子面位移边界条件：对基本有限元模型中待分析隧道的预开挖隧道段，施加掌子面位移边界条件，限制预开挖隧道段前方掌子面的水平位移，防止预开挖段土体移除后，掌子面发生失稳坍塌现象；步骤6、施加径向表面位移：对基本有限元模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵羽，唐正辉，蓝日彦，米德才，陈川，刘家庆，刘先林，李洋溢，韦超俊，李明智，叶琼瑶，周祥，匡波，吴秋军，
申请(专利权)人：广西交通设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：