一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，包括获取不同岩层和土层的基本力学参数；生成三维地质模型；生成三维隧道实体模型；基于三维隧道实体模型，对三维隧道实体模型进行网格划分，并对隧道开挖区域、管片层及注浆层网格进行加密处理，得到网格模型；将划分好的网格模型导入FLAC 3D软件中，并分别赋予各个土层和岩层的力学参数；根据建模中隧道的分组情况，首先开挖先行隧道，开挖到盾构机机身长度后，激活盾构机单元，同时进行中盾注浆辅助或气压辅助，在盾构机尾部激活管片层，激活注浆层，待整个数值模型达到局部平衡后进入一下一个循环；开挖区域布设监测点，能够对隧道盾构进行真实的模拟。模拟。模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及城市地下工程开挖诱发地表变形的数值模拟
，具体涉及一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法。

技术介绍

[0002]现代城市建设过程中，盾构法是隧道施工采用的主要方法之一，具有掘进速度快、自动化程度高、施工劳动强度低、安全性强等优点，同时施工过程中不影响地面交通与设施，受季节、风雨等气候影响较小，但盾构法施工过程中不可避免会对土体产生扰动，诱发地表变形，严重时造成地表开裂、坍塌，对人们生命财产安全造成较大威胁。精确、有效地预测隧道开挖引起的地层变形，一直是学术界和工程界研究和关注的重点。
[0003]随着计算机技术的发展，数值模拟方法被认为是一种研究盾构隧道工程中所遇到的各种复杂问题的最有效方法之一。三维数值模拟方法能够较好地模拟隧道施工过程中的开挖面空间效应，可以得到更加符合工程实际的结果，FLAC 3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是一款用于岩土工程分析的有限差分法软件，该软件在地下工程数值模拟领域应用较为广泛。
[0004]然而，目前在利用FLAC 3D对隧道施工过程进行数值模拟时，通常把整个过程进行简化，尤其是对管片支护、管片后注浆及盾构机注浆过程，过分简化后的模拟过程与盾构隧道实际开挖过程相差较大，对数值模拟结果产生较大的影响。此外，在盾构隧道施工过程的模拟中，通常只模拟直线段隧道开挖过程与地层变形，没有考虑隧道真实的路线，导致对盾构施工过程的模拟存在一些不合理的地方，导致地层变形的预测精度较差，无法制定有效的地层变形控制措施。

技术实现思路

[0005]根据现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，其特征在于，包括：
[0008]步骤S1、通过地质勘察钻孔获取隧道地质信息，通过室内试验获取不同岩层和土层的基本力学参数；
[0009]步骤S2、画出二维地质剖面图，生成三维地质模型；
[0010]步骤S3、根据隧道的断面特征信息，包括隧道断面形状及尺寸、管片厚度及尺寸和注浆层厚度，绘制隧道开挖区域、管片和注浆层，根据隧道轴线空间位置生成三维隧道实体模型；
[0011]步骤S4、基于三维隧道实体模型，对三维隧道实体模型进行网格划分，并对隧道开
挖区域、管片层及注浆层网格进行加密处理，得到网格模型；
[0012]步骤S5、将划分好的网格模型导入FLAC 3D软件中，根据室内试验获得的不同土层和岩层基本力学参数，针对土层和岩层分别选择合适的本构方程，本构方程的选取主要根据土层和岩层的力学参数及所处应力状态，并分别赋予各个土层和岩层的力学参数；
[0013]步骤S6、根据建模中隧道的分组情况，首先开挖先行隧道，开挖到盾构机机身长度后，激活盾构机单元，同时进行中盾注浆辅助或气压辅助，在盾构机尾部激活管片层，激活注浆层，待整个数值模型达到局部平衡后进入一下一个循环；
[0014]步骤S7、在开挖区域布设监测点，获取隧道开挖过程中地层变形及受力情况，监测点包括地表监测点和地层内监测点，地表监测点根据盾构现场实际布置位置监测为隧道正上方，间距1～2m左右隧道两侧各布置3～5个监测点，地层内监测点根据实际需要，在隧道周围布置，通过现场实际监测结果进行对比分析，确定数值模拟方法的有效性与准确性，而后针对未开挖区域，利用上述数值模拟方法预测开挖过程中地层受力及变形情况，根据数值模拟结果及时调整掘进方案及地层变形处理措施。
[0015]进一步地，所述步骤S1包括：
[0016]步骤S101、根据地质勘察钻孔取芯情况，划分地层岩性、地层厚度，进而获取该钻孔钻取地层的地层分布信息；
[0017]步骤S102、根据实际工程需要，多次钻孔取芯，通过大量的钻孔取芯获取研究区域的地层分布信息，分析地层分布信息，绘制二维地质剖面图，确定研究区域的地层分布情况，为后续数值模型的建立提供基本数据；
[0018]步骤S103、通过室内试验获取不同岩土地层基本力学参数，模拟研究区域岩土体的力学行为，使得数值模拟结果更好的指导现场施工，力学参数包括土体密度、岩石密度、土体弹性模量、土体泊松比、岩石弹性模量、岩石泊松比、土体或岩石摩擦系数和土体或岩石粘结强度。
[0019]进一步地，土体密度通过环刀测试法获得，利用一定容积的环刀切取土体试样，确保土体完全充填在环刀内，使得环刀的容积为土体的体积，土体密度的计算公式为：
[0020]ρ
s
＝(m
t
‑
m
k
)/V
s
[0021]其中，V
s
为土体的体积，m
t
为土体加环刀的质量，m
k
为环刀质量；
[0022]岩石密度通过量体法获取，将岩石的岩芯加工成标准圆柱试样，测量标准圆柱试样体积和重量，然后求得标准圆柱试样密度；
[0023]土体弹性模量和土体泊松比利用循环三轴试验测得，土体弹性模量的计算公式为；
[0024][0025]其中，σ
E
和ε
E
分别为土体弹性应力和土体弹性应变；
[0026]土体泊松比的计算公式为：
[0027][0028]其中，ε
la
和ε
ax
分别为土体侧向应变和土体轴向应变；
[0029]岩石弹性模量和岩石泊松比利用单轴压缩试验测得，岩石弹性模量的计算公式
为；
[0030][0031]其中，σ
Er
和ε
Er
分别为土体弹性应力和土体弹性应变；
[0032]土体泊松比的计算公式为：
[0033][0034]其中，ε
rla
和ε
rax
分别为土体侧向应变和土体轴向应变；
[0035]岩石摩擦系数、岩石粘结强度、土体摩擦系数和土体粘结强度均采用剪切试验获取，具体计算公式如下：
[0036][0037]其中，σ为岩石法向应力或土体法向应力，τ为岩石剪切应力或土体剪切应力，为岩石摩擦系数或土体摩擦系数，c为岩石粘结强度或土体粘结强度。
[0038]进一步地，所述步骤S2包括：
[0039]步骤S201、利用犀牛软件或CAD软件根据地层厚度和地层分界面，绘制二维地质剖面图，所有地层均需画出对应的曲线，并对所有地层分别命名；
[0040]步骤S202、使用拉伸命令，将二维地质剖面图生成为三维地质模型。
[0041]进一步地，所述步骤S3包括：
[0042]步骤S301、绘制隧道开挖轮廓，定义管片厚度T1，在管片与围岩之间定义注浆层厚度T2；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，其特征在于，包括：步骤S1、通过地质勘察钻孔获取隧道地质信息，通过室内试验获取不同岩层和土层的基本力学参数；步骤S2、画出二维地质剖面图，生成三维地质模型；步骤S3、根据隧道的断面特征信息，包括隧道断面形状及尺寸、管片厚度及尺寸和注浆层厚度，绘制隧道开挖区域、管片和注浆层，根据隧道轴线空间位置生成三维隧道实体模型；步骤S4、基于三维隧道实体模型，对三维隧道实体模型进行网格划分，并对隧道开挖区域、管片层及注浆层网格进行加密处理，得到网格模型；步骤S5、将划分好的网格模型导入FLAC 3D软件中，根据室内试验获得的不同土层和岩层基本力学参数，针对土层和岩层分别选择合适的本构方程，本构方程的选取主要根据土层和岩层的力学参数及所处应力状态，并分别赋予各个土层和岩层的力学参数；步骤S6、根据建模中隧道的分组情况，首先开挖先行隧道，开挖到盾构机机身长度后，激活盾构机单元，同时进行中盾注浆辅助或气压辅助，在盾构机尾部激活管片层，激活注浆层，待整个数值模型达到局部平衡后进入一下一个循环；步骤S7、在开挖区域布设监测点，获取隧道开挖过程中地层变形及受力情况，监测点包括地表监测点和地层内监测点，地表监测点根据盾构现场实际布置位置监测为隧道正上方，间距1～2m左右隧道两侧各布置3～5个监测点，地层内监测点根据实际需要，在隧道周围布置，通过现场实际监测结果进行对比分析，确定数值模拟方法的有效性与准确性，而后针对未开挖区域，利用上述数值模拟方法预测开挖过程中地层受力及变形情况，根据数值模拟结果及时调整掘进方案及地层变形处理措施。2.根据权利要求1所述的盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S101、根据地质勘察钻孔取芯情况，划分地层岩性、地层厚度，进而获取该钻孔钻取地层的地层分布信息；步骤S102、根据实际工程需要，多次钻孔取芯，通过大量的钻孔取芯获取研究区域的地层分布信息，分析地层分布信息，绘制二维地质剖面图，确定研究区域的地层分布情况，为后续数值模型的建立提供基本数据；步骤S103、通过室内试验获取不同岩土地层基本力学参数，模拟研究区域岩土体的力学行为，使得数值模拟结果更好的指导现场施工，力学参数包括土体密度、岩石密度、土体弹性模量、土体泊松比、岩石弹性模量、岩石泊松比、土体或岩石摩擦系数和土体或岩石粘结强度。3.根据权利要求2所述的盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，其特征在于：土体密度通过环刀测试法获得，利用一定容积的环刀切取土体试样，确保土体完全充填在环刀内，使得环刀的容积为土体的体积，土体密度的计算公式为：ρ
s
＝(m
t
‑
m
k
)/V
s
其中，V
s
为土体的体积，m
t
为土体加环刀的质量，m
k
为环刀质量；岩石密度通过量体法获取，将岩石的岩芯加工成标准圆柱试样，测量标准圆柱试样体积和重量，然后求得标准圆柱试样密度；
土体弹性模量和土体泊松比利用循环三轴试验测得，土体弹性模量的计算公式为；其中，σ
E
和ε
E
分别为土体弹性应力和土体弹性应变；土体泊松比的计算公式为：其中，ε
la
和ε
ax
分别为土体侧向应变和土体轴向应变；岩石弹性模量和岩石泊松比利用单轴压缩试验测得，岩石弹性模量的计算公式为；其中，σ
Er
和ε
Er
分别为土体弹性应力和土体弹性应变；土体泊松比的计算公式为：其中，ε
rla...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旗，张晓平，许丹，王浩杰，李有道，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：