[發明專利]一種用于管廊結構頂管施工的有限元精細化模擬方法

有效

• 申請號: 201910522014.2
• 申請日: 2019-06-17
• 公開（公告）號: CN110245426B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 高增奎;梅軍;王先甲;胡家新;馬亞東;李定勇;熊星欣;官天培;王丹生
• 申請（專利權）人: 中鐵七局集團有限公司;中鐵七局集團武漢工程有限公司;華中科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/13;G06T17/20;G06F111/10;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

1.一種用于管廊結構頂管施工的有限元精細化模擬方法，采用有限元方法模擬管廊結構頂管施工的過程，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一，確定注漿等代層的相關參數；所述注漿等代層為管廊周邊注漿后形成的土、水泥漿以及土與水泥漿的混合物；

步驟二，確定管廊結構頂管施工的載荷和施工參數；

步驟三，確定管廊結構頂推模擬時，各部分采用的本構模型及單元；

步驟四，確定荷載步的設置；模擬時，土體的開挖以及管廊的施工均通過單元的激活和鈍化功能實現；注漿過程通過單元的激活和鈍化以及改變單元材料屬性的功能實現；

步驟五，建立三維有限元模型，采用有限元分析計算；

步驟一中將注漿等代層看作是各向同性的均質彈性體，注漿等代層的相關參數包括厚度、密度、彈性模量以及泊松比；

等代層厚度的計算公式如下：

d＝η(d₁+d₂)

上式中：d表示等代層厚度，d₁表示管廊結構與盾殼的拼裝空隙，d₂表示盾殼的鋼板厚度，η表示與管廊所處地層土質相關的系數；

等代層的密度、彈性模量以及泊松比的取值如下：

ρ＝1800kg/m³

E＝1.2Mpa

υ＝0.2

其中：ρ表示等代層密度，E表示等代層彈性模量，υ表示等代層泊松比；

η的取值在0.7～2之間，對于硬土層取其下限，對于極軟土層取其上限；

對于管廊結構處于的不同土層，其η值取為：硬黏土取0.7～0.9；密砂取0.9～1.3；松砂取1.3～1.8；軟黏土取1.8～2.0；

步驟二中管廊結構頂管施工的載荷和施工參數包括掘進壓力P₁、千斤頂力P₂以及頂管施工進尺ΔL；其中，P₁表示盾構機頂部刀盤切土掘進時，對掌子面產生的均布面壓力；P₂表示頂推預制管廊節段時，對管廊橫斷面產生的均布線荷載；二種荷載均根據具體工程確定；ΔL取實際工程中單節段管廊結構的寬度l_s；

當模擬的管廊結構頂推段過長時，為提高建模效率，節約計算分析所需時間，取ΔL＝nl_s，n為自然數；

步驟三中進行管廊結構頂推模擬時，包含原狀各土層、注漿等代層、開挖土以及管廊結構4個部分，各部分采用的本構模型及單元如下：

原狀各土層：采用摩爾庫倫本構模型以及實體單元；

注漿等代層：采用各向同性彈性本構模型以及實體單元；

開挖土：采用摩爾庫倫本構模型以及實體單元；

管廊結構：采用各向同性彈性本構模型以及殼單元；

步驟四中確定荷載步設置時，先根據施工進尺定義若干個網格組、邊界組以及荷載組，具體如下：

按施工進尺將開挖土分為若干網格組：開挖-1、開挖-2、......、開挖-N；

按施工進尺將注漿等代層分為若干網格組：注漿-1、注漿-2、......、注漿-N；

按施工進尺將管廊分為若干網格組：管廊-1、管廊-2、......、管廊-N；

改變注漿等代層材料屬性的邊界組：土/注漿-1、土/注漿-2、......、土/注漿-N；

劃分掘進壓力的荷載組：掘進壓力-1、掘進壓力-2、......、掘進壓力-N-1；

劃分千斤頂力的荷載組：千斤頂力-1；

其中：單獨激活注漿-1網格組時，其材料屬性為該位置原狀土的特性；同時激活注漿-1和土/注漿-1時，其材料屬性變為注漿后的等代層屬性；

假設整個隧道分為N個開挖進尺，那么模擬盾構施工該隧道時，需設置N+2個荷載步，具體如下：

1第1荷載步：激活所有原狀地層、開挖土、注漿等代層、位移邊界以及重力，求得模型在重力荷載作用下，有自重應力而無位移的狀態；

2第2荷載步：鈍化開挖-1；激活管廊-1、掘進壓力-1以及千斤頂力-1；

3第3荷載步：鈍化開挖-2、掘進壓力-1；激活管廊-2、掘進壓力-2、土/注漿-1；

i第i荷載步：鈍化開挖-i-1、掘進壓力-i-2；激活管廊-i-1、掘進壓力-i-1、土/注漿-i-2；

N+1第N+1荷載步：鈍化開挖-N、掘進壓力-N-1；激活管廊N、土/注漿-N-1；

N+2第N+2荷載步：激活土/注漿-N。

2.根據權利要求1所述的一種用于管廊結構頂管施工的有限元精細化模擬方法，其特征在于：步驟五中采用任意大型有限元軟件實現精細化模擬管廊結構頂管施工過程。