一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法技术

本发明专利技术公开一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，运用ABAQUS的生死单元法，在装配模块对在全施工流程中需要用到的注浆层、衬砌以及盾体都装配到仿真模型中，再在interaction模块通过对开挖土体、注浆层、衬砌以及盾体设置Modelchange接触，在相应的分析步进行移除和激活，可以模拟真实隧道施工过程中盾构机推进和支护过程，能准确得到盾体施工推进过程中的受力情况，并且相对于瞬态法以及离散元等仿真方法，本发明专利技术提出的仿真方法能够高效快速地实现完整的盾构施工仿真流程，能够导入依据地勘数据建立的真实地质环境模型进行耦合仿真，从而获得全地质施工流程中盾体的受力以及载荷工况。受力以及载荷工况。受力以及载荷工况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法


[0001]本专利技术涉及盾构仿真领域，具体涉及一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国基础建设迅速发展，铁路、地铁、公路以及城市地下管廊等工程持续规划建设施工，盾构机作为最主要的隧道掘进专用机械被广泛应用，尤其是在城市地铁和地下管廊的建设施工之中。但目前对于盾构机研发设计方法尚不够成熟，对于盾构机的隧道开挖仿真分析仍有诸多不足之处。
[0003]现有技术中，1、岩土工程常运用ABAQUS做隧道的开挖仿真，但这一类仿真所关注的是隧道开挖过程中，岩土的沉降、孔压以及隧道支护的稳定性分析，对于盾体大多都简化成了简单的壳体，无法真实得出开挖过程中盾体的受力情况；2、而在机械工程领域中，针对于盾体强度的仿真分析，目前主要有两种方式，第一是采用有限元方法，通过工程经验对盾构机个体进行特定工况下的约束、加载分析，该方法对于单个部件的仿真分析比较有效，但对于盾构机整体，由于真实地质环境下，岩土类型的多变性和不均匀性会导致对于盾体的约束和加载多变且复杂，难以对真实工况进行模拟；第二种则是运用离散元方法，同时建立盾构机和岩土模型进行仿真分析，离散元方法着重于颗粒体的运动、受力情况，盾体被建模为刚体，如需获知盾体的受力情况需与有限元软件进行耦合仿真，该方法计算耗时巨大，且管片、注浆层等结构未被建模，无法再现完整的盾构机掘进过程。
[0004]综上所述，急需一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法以解决现有技术中盾体未完整建模以及不能准确得出受力情况的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，以解决现有技术中盾体未完整建模以及不能准确得出受力情况的问题，具体技术方案如下：
[0006]一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1、创建盾构开挖的三维模型，将三维模型装配至ABAQUS的仿真模型中；
[0008]步骤S2、基于仿真模型创建分析步及接触属性；
[0009]步骤S3、创建载荷及边界条件；
[0010]步骤S4、计算及后处理分析，得到仿真结果。
[0011]以上技术方案优选的，所述步骤S1包括：
[0012]步骤S1.1、创建模型部件，包括盾体、土体、注浆层以及衬砌；
[0013]步骤S1.2、创建材料属性，为土体、盾体、注浆层以及衬砌创建相应的材料属性；
[0014]步骤S1.3、模型装配，将模型部件装配到仿真模型中。
[0015]以上技术方案优选的，所述步骤S1.1中，盾体包括结构体、刀盘、刀盘内土体以及土压舱内土体。
[0016]以上技术方案优选的，所述步骤S2包括：
[0017]步骤S2.1、创建分析步，初始创建地应力GeoStatic分析步用以对岩土进行初始地应力平衡，对后续掘进过程，以一个衬砌的距离作为一个掘进步进行盾构推进仿真，每个掘进步由两个仿真分析步step进行实现；
[0018]步骤S2.2、创建连接器，应用连接器模拟盾构推进油缸，并应用ABAQUS中的柔性耦合把盾构推进油缸的作用区耦合到控制点上；
[0019]步骤S2.3、基于ABAQUS，对盾体、开挖土体、注浆层以及衬砌进行生死单元设置；
[0020]步骤S2.4、为仿真模型的各部件创建接触关系。
[0021]以上技术方案优选的，所述步骤S2.2中，连接器的类型设置为Translate平动副。
[0022]以上技术方案优选的，所述步骤S2.3包括：
[0023]步骤S2.31、在初始GeoStatic分析步下，为所有的衬砌、注浆层、盾体以及连接器创建Model change接触属性，选择Deactivated inthis step把除土体之外的所有部件进行移除；
[0024]步骤S2.32：盾体开挖后，盾体尚未完全进入土体前，在每个掘进步的第一个分析步移除盾体前方一个衬砌长度的开挖土体以及在上一掘进步激活的盾体，随后激活该掘进步的盾体，第二个分析步延续该第一个分析步的设置，以此循环K1个掘进步，直至盾体完全进入土体；
[0025]步骤S2.33：盾体完全进入土体后，每个掘进步的第一个分析步移除盾体前方的开挖土体以及上一个掘进步激活的盾体及连接器，然后激活本掘进步的盾体、衬砌以及连接器，并在上一个掘进步激活的衬砌与土体之间生成注浆层，第二个分析步延续该设置，以此循环K2个掘进步。
[0026]以上技术方案优选的，所述步骤S3包括：
[0027]步骤S3.1、创建边界条件：
[0028]1)、对土体的上边界不做约束，其他5个面均限制法向位移；
[0029]2)、对衬砌和注浆层，限制最外侧贴合土体边界的端面的法向位移；
[0030]3)、对盾体有两种情况：
[0031]在开始掘进但盾体未完全进入土体之前，在每个掘进步的第一个分析步为盾体创建固定约束，使盾体与岩土能够平稳接触，并在下一掘进步的第一个分析步设置Deactivated释放掉盾体的约束；
[0032]当盾体完全进入土体之后，在每个掘进步的第一个分析步为盾体设置固定约束，到第二个分析步设置Deactivated释放约束，并在该分析步对连接器创建盾体掘进方向的位移，实现对盾体的掘进推进作用；
[0033]步骤S3.2、创建载荷：
[0034]1)、对整个仿真模型设置重力作用；
[0035]2)、对每个注浆层从激活开始，持续K3个掘进步对注浆层设置弹性模量不同的材料预定义场，模拟注浆层的凝固硬化过程；
[0036]3)、对开挖后的土体内表面，根据施工参数设置M个大气压的注浆压力，持续到下一个掘进步设置Deactivated移除注浆压力。
[0037]以上技术方案优选的，所述步骤S4中，仿真结果包括盾体的受力状况以及盾体的
推进力。
[0038]应用本专利技术的技术方案，具有以下有益效果：
[0039](1)本专利技术的基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，运用ABAQUS的生死单元法，在装配模块对在全施工流程中需要用到的注浆层、衬砌以及盾体都装配到仿真模型中，再在interaction模块通过对开挖土体、注浆层、衬砌以及盾体设置Model change接触，在相应的分析步进行移除和激活，可以模拟真实隧道施工过程中盾构机推进和支护过程，能准确得到盾体施工推进过程中的受力情况，并且相对于瞬态法以及离散元等仿真方法，本专利技术提出的仿真方法能够高效快速地实现完整的盾构施工仿真流程，能够导入依据地勘数据建立的真实地质环境模型进行耦合仿真，从而获得全地质施工流程中盾体的受力以及载荷工况。
[0040](2)本专利技术的方法中对盾体进行了完整的建模，能够较好地得出盾体施工推进过程中的受力情况。
[0041](3)本专利技术的方法采用连接器模拟油缸推进，在保证计算精度的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、创建盾构开挖的三维模型，将三维模型装配至ABAQUS的仿真模型中；步骤S2、基于仿真模型创建分析步及接触属性；步骤S3、创建载荷及边界条件；步骤S4、计算及后处理分析，得到仿真结果。2.根据权利要求1所述的基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S1.1、创建模型部件，包括盾体(1)、土体(2)、注浆层(3)以及衬砌(4)；步骤S1.2、创建材料属性，为土体、盾体、注浆层以及衬砌创建相应的材料属性；步骤S1.3、模型装配，将模型部件装配到仿真模型中。3.根据权利要求2所述的基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，其特征在于，所述步骤S1.1中，盾体(1)包括结构体(1.1)、刀盘(1.2)、刀盘内土体以及土压舱内土体。4.根据权利要求2或3所述的基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S2.1、创建分析步，初始创建地应力分析步用以对岩土进行初始地应力平衡，对后续掘进过程，以一个衬砌的距离作为一个掘进步进行盾构推进仿真，每个掘进步由两个仿真分析步step进行实现；步骤S2.2、创建连接器(5)，应用连接器模拟盾构推进油缸，并应用ABAQUS中的柔性耦合把盾构推进油缸的作用区耦合到控制点上；步骤S2.3、基于ABAQUS，对盾体、开挖土体、注浆层以及衬砌进行生死单元设置；步骤S2.4、为仿真模型的各部件创建接触关系。5.根据权利要求4所述的基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，其特征在于，所述步骤S2.2中，连接器的类型设置为Translate平动副。6.根据权利要求4所述的基于ABAQUS的盾构机隧道开挖仿真方法，其特征在于，所述步骤S2.3包括：步骤S2.31、在初始GeoStatic分析步下，为所有的衬砌、注浆层、盾体以及连接器创建Model change接触属性，选择Dea...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞香，廖金军，吕衡生，蒋海华，王永胜，尹雁飞，陈志伟，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：