[發(fā)明專利]基于ANSYS的生死單元法模擬隧道的盾構(gòu)開挖方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711250748.7
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN107862157A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許彥平;于學(xué)鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧三三工業(yè)有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 天津濱海科緯知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司12211
• 代理人: 張瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于地下盾構(gòu)施工設(shè)備領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于ANSYS的生死單元法模擬隧道的盾構(gòu)開挖方法。

背景技術(shù)

盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)進(jìn)行隧道開挖，襯砌等作業(yè)的施工方法。盾構(gòu)機掘進(jìn)隧道是全斷面同時進(jìn)行的，使用傳統(tǒng)的只模擬隧道截斷平面內(nèi)的分步開挖方法是不妥當(dāng)?shù)模F(xiàn)有的隧道開挖模擬多是只模擬一個或幾個斷面的開挖過程和步驟，而不是全斷面的分步開挖模擬，不能真實的模擬盾構(gòu)機開挖及支護(hù)過程中，隧道的受力、變形、及沉降隆起情況，無法達(dá)到預(yù)期的效果。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種基于ANSYS的生死單元法模擬隧道的盾構(gòu)開挖方法，可以更真實恰當(dāng)?shù)哪M全斷面盾構(gòu)機的挖掘及支護(hù)過程中隧道周圍巖土的受力和變形沉降隆起情況。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種基于ANSYS的生死單元法模擬隧道的盾構(gòu)開挖方法，其過程如下：

1、在ANSYS中選用20節(jié)點SOLID186實體單元建立隧道模型、巖土模型、管片模型。

2、賦予模型材料屬性，最初整個模型均賦予巖土材料參數(shù)，網(wǎng)格劃分采用尺寸控制法，根據(jù)模型形狀分別劃分映射網(wǎng)格和自由網(wǎng)格，有限元模型創(chuàng)建完畢。

3、對模型施加邊界條件及載荷：模型下部為豎直方向約束，模型兩側(cè)采用法相約束，軸向尾部斷面采用法相約束，為整個模型施加重力加速度g，模擬巖土自重，巖土模型上表面施加2.0MPa的均布壓力載荷，用來模擬地表建筑物或其他載荷。

進(jìn)一步的，在步驟三中的加載求解過程如下：

第一步：先計算出巖土開挖前在自重及地表載荷作用下整個模型的變形沉降及內(nèi)力分步情況，為模型提供初始的載荷及內(nèi)力分布。

第二步：采用全斷面的方式開挖第一環(huán)管片長度0-2m距離，并用襯砌管片支護(hù)，然后計算隧道及周圍巖土在載荷作用下的響應(yīng)情況。

第三步：采用全斷面的方式開挖第二環(huán)管片長度2m-4m距離，并用襯砌管片支護(hù)，然后計算隧道及周圍巖土在載荷作用下的響應(yīng)情況。

第四步：采用全斷面的方式開挖第三環(huán)管片長度4m-6m距離，并用襯砌管片支護(hù)，然后計算隧道及周圍巖土在載荷作用下的響應(yīng)情況。

進(jìn)一步的，在步驟一中，模型縱向長度6m(三環(huán)管片長度)，模型寬度取30m，高度30m，隧道外徑8m，管片厚度400mm，隧道埋深取20m。

進(jìn)一步的，加載求解過程中第二步的具體操步驟為：殺死從端面到2m長度、直徑8米圓柱體內(nèi)的所有巖土單元，然后將第一環(huán)襯砌管片模型(外徑8m厚度400mm長度2m)材料轉(zhuǎn)換為C25鋼筋混凝土，并重新將第一環(huán)管片模型上的所有單元激活，然后為整個模型施加自重及地面荷載，計算得襯砌管片的最大應(yīng)力值為3.16MPa，管片頂端最大變形值為0.00152m，地表最大沉降值為0.00192m。

進(jìn)一步的，加載求解過程中第三步的具體操步驟為：殺死從2m到4m長度、直徑8米圓柱體內(nèi)的所有巖土單元，然后將第二環(huán)襯砌管片模型(外徑8m厚度400mm長度2m)材料轉(zhuǎn)換為C25鋼筋混凝土，并重新將第二環(huán)管片模型上的所有單元激活，然后為整個模型施加自重及地面荷載，計算得襯砌管片的最大應(yīng)力值為3.49MPa.，管片頂端最大變形值為0.00159m，地表最大沉降值為0.00196m。

進(jìn)一步的，加載求解過程中第四步的具體操步驟為：殺死從4m到6m長度、直徑8米圓柱體內(nèi)的所有巖土單元，然后將第三環(huán)襯砌管片模型(外徑8m厚度400mm長度2m)材料轉(zhuǎn)換為C25鋼筋混凝土，并重新將第三環(huán)管片模型上的所有單元激活，然后為整個模型施加自重及地面荷載，計算得襯砌管片的最大應(yīng)力值為3.65MPa.，管片頂端最大變形值為0.00165m，地表最大沉降值為0.002m。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：采用全斷面步進(jìn)軸向開挖模擬，使用生死單元法來模擬巖土的開挖和管片的支護(hù)，掘進(jìn)施工時殺死有限元模型中的開挖巖土體，然后用單元激活法模擬支護(hù)管片結(jié)構(gòu)的添加，一次挖掘和一次支護(hù)完成一環(huán)管片距離的掘進(jìn)和支護(hù)。利用這一方法更真實恰當(dāng)?shù)哪M了全斷面盾構(gòu)機的挖掘及支護(hù)過程中隧道周圍巖土的受力和變形沉降隆起情況。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明隧道體幾何模型及有限元模型圖。

圖2為本發(fā)明隧道體第一段開挖支護(hù)后變形及應(yīng)力云圖。