[發明專利]盾構隧道開挖后應力分布獲取方法

有效

• 申請號: 201410280385.1
• 申請日: 2014-06-20
• 公開（公告）號: CN104021254B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 袁鴻;詹輝艇;楊雄飛;韓軍
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發明涉及一種盾構隧道挖掘技術，特別涉及盾構隧道開挖后應力分布獲取方法。

背景技術

隨著社會經濟建設的發展和城市化進程加快，有限的土地資源已嚴重影響了城市的各種功能，地下空間的開發利用備受重視，隧道等地下交通設施的建設越來越多。最近的20多年以來，我國的隧道工程建設發展迅速，而且取得的成就是令人矚目的。截止至2013年的5月，我國的地鐵已經正式投入運營的城市(包括港臺地區在內)有20個，全國的運營里程達2518.6公里，在建的里程有2975.58公里，規劃的里程達14678.84公里(地鐵的里程包括輕軌，不包括城際的鐵路)。

在隧道挖掘時需要計算隧道周圍以及隧道圍巖周圍的應力值，從而知曉隧道周圍以及隧道圍巖周圍的應力分布情況，為挖掘工作提供有力的數據，保證隧道挖掘工作的安全和可行性。目前關于隧道的應力分布獲取方法中，孫統立應用彈性力學Mindlin解建立了雙圓盾構掘進引起土體附加應力積分表達式。該方法運用復化Gauss-Legendre數值積分公式，得到定量分析了雙圓盾構正面推力、盾構與土體側摩阻力對土體擾動的程度及范圍；劉新宇應用復變函數方法推導獲得了在任意側壓力系數的彈性地層中平行圓形隧道的應力分析的方法。但是這些方法均沒有將理論方法和工程實際得到的數據或有限元計算結果進行比較。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種盾構隧道開挖后應力分布獲取方法，該方法通過建立盾構隧道和周圍土體二維的有限元模型并且得到有限元模型中隧道周圍以及隧道圍巖周圍各位置結點的應力計算值，然后將盾構隧道開挖后位置結點的理論應力值與有限元模型中的計算的相應結點的應力值進行比較，通過比較結果驗證分析理論方法獲取的應力值的正確性和可行性，從而根據應力理論值獲取到盾構隧道開挖后的應力分布情況。

本發明的目的通過下述技術方案實現：盾構隧道開挖后應力分布獲取方法，步驟如下：

S1：根據所要開挖的隧道的相關參數，采用有限元軟件建立盾構隧道和周圍土體二維的有限元模型；

S2：獲取步驟S1中所建立的有限元模型中隧道周圍以及隧道圍巖周圍各位置結點的應力值以及應力分布情況；

S3：運用彈性力學的理論將隧道結構方面的力學問題轉換成平面應變的問題，然后獲取有限元模型垂直方向的應力分量和水平方向的應力分量，引進側壓力系數將水平方向的應力進行平均處理，根據垂直方向的應力分量以及平均處理后水平方向的應力分量獲取開挖后隧道周圍以及隧道圍巖周圍的不同位置結點處的應力理論值；

S4：將步驟S3中得到的開挖后隧道周圍以及隧道圍巖周圍的位置結點處應力理論值與步驟S2有限元模型中得到的隧道周圍以及隧道圍巖周圍的相應位置結點處的應力值進行比較；根據對比結果確定步驟S3中計算得到的開挖后隧道周圍以及隧道圍巖周圍的應力理論值的正確性；從而根據應力理論值獲取盾構隧道開挖后應力分布情況。

優選的，所述步驟S4中，當步驟S3中得到的開挖后隧道周圍以及隧道圍巖周圍的位置結點處應力理論值與有限元模型中得到的隧道周圍以及隧道圍巖周圍的相應位置結點處的應力值相比，若82％以上的結點處的相對誤差在11％以內，18％以下的結點處的相對誤差在20％以內，則確定步驟S3中計算得到的開挖后隧道周圍以及隧道圍巖周圍的應力理論值為正確。

優選的，所述步驟S1中有限元軟件采用二維8節點的plane183結構實體單元創建盾構隧道和周圍土體二維維的有限元模型。

優選的，所述步驟S1中有限元軟件為ANSYS軟件。

優選的，所述步驟S3中水平方向的應力進行平均處理的過程如下：

根據垂直方向的應力分量σ_z以及側壓力系數K₀獲取水平方向的最小應力σ_x1：

σ_x1＝K₀σ_Z；

其中側壓力系數K₀根據土性質進行選擇，根據σ_x1獲取水平方向的最大應力σ_x2：

σ_x＝σ_x1+K₁z；

其中K₁為線性比例系數，根據土性質以及地下水深度進行選擇，z為σ_x2在z軸方向的坐標值，即土體深度上的坐標；

則水平方向的應力平均處理后的值σ_x為：