[發(fā)明專利]一種用于管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的有限元精細(xì)化模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910522014.2
• 申請(qǐng)日: 2019-06-17
• 公開（公告）號(hào): CN110245426B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(qǐng)（專利權(quán)）人: 中鐵七局集團(tuán)有限公司;中鐵七局集團(tuán)武漢工程有限公司;華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/13;G06T17/20;G06F111/10;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發(fā)明公開了一種用于管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的有限元精細(xì)化模擬方法，采用有限元方法模擬管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的過程，包括以下步驟：確定注漿等代層的相關(guān)參數(shù)；確定管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的載荷和施工參數(shù)；確定管廊結(jié)構(gòu)頂推模擬時(shí)，各部分采用的本構(gòu)模型及單元；確定荷載步的設(shè)置；建立三維有限元模型，采用有限元分析計(jì)算。本發(fā)明綜合考慮了掘進(jìn)壓力、千斤頂力以及注漿等代層等因素的影響，使有限元模擬過程最大限度的接近實(shí)際管廊頂管施工流程，得到了具有工程指導(dǎo)意義的模擬結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土木工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及到數(shù)值仿真技術(shù)，具體涉及一種用于管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的有限元精細(xì)化模擬方法。

背景技術(shù)

當(dāng)今社會(huì)，對(duì)給排水、電力及燃?xì)夤艿赖木S修和檢查十分普遍，導(dǎo)致城市路面反復(fù)開挖及回填施工，給人們的生活造成極大不便；為了徹底解決該問題，改善居民出行條件及生活環(huán)境，以集約化的方式為市政管線建設(shè)提供可靠的地下空間，管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

管廊結(jié)構(gòu)施工時(shí)，不可避免的會(huì)出現(xiàn)下穿或者側(cè)穿既有道路、橋梁以及房屋建筑基礎(chǔ)的情況。例如：昆明市哨關(guān)路綜合管廊頂管下穿滬昆鐵路框架涵結(jié)構(gòu)，武漢市武九北綜合管廊頂管下穿和平大道以及和平大道高架橋。管廊結(jié)構(gòu)頂管施工時(shí)，土層應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)重分布，會(huì)使地表產(chǎn)生變形；當(dāng)管廊結(jié)構(gòu)周邊存在既有構(gòu)筑物時(shí)，會(huì)使其產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，危及結(jié)構(gòu)安全。因此在管廊頂管施工前，進(jìn)行精細(xì)化的有限元建模分析，預(yù)測(cè)管廊頂推施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)以及地表變形的影響顯得尤為重要。

目前工程上常用的管廊結(jié)構(gòu)頂管施工模擬方法，僅依據(jù)單元生死的原理，通過反復(fù)循環(huán)殺死開挖土體、激活管廊結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)。該方法未考慮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)壓力、千斤頂力以及注漿等代層的影響，模擬方式過于粗糙，不能反映管廊頂管施工的真實(shí)狀態(tài)，計(jì)算得到的結(jié)果不具備參考價(jià)值，不能指導(dǎo)工程實(shí)際。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題和缺陷，本發(fā)明提供了一種用于管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的有限元精細(xì)化模擬方法，其目的在于綜合考慮掘進(jìn)壓力、千斤頂力以及注漿等代層等因素的影響，使有限元模擬過程最大限度的接近實(shí)際管廊頂管施工流程，進(jìn)而得到具有工程指導(dǎo)意義的模擬結(jié)果。

為此，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種用于管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的有限元精細(xì)化模擬方法，采用有限元方法模擬管廊結(jié)構(gòu)頂管施工的過程，包括以下步驟：

步驟一，確定注漿等代層的相關(guān)參數(shù)；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(jié)構(gòu)頂管施工的載荷和施工參數(shù)；

步驟三，確定管廊結(jié)構(gòu)頂推模擬時(shí)，各部分采用的本構(gòu)模型及單元；

步驟四，確定荷載步的設(shè)置；模擬時(shí)，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(shí)現(xiàn)；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(shí)現(xiàn)；

步驟五，建立三維有限元模型，采用有限元分析計(jì)算。

優(yōu)選地，步驟一中將注漿等代層看作是各向同性的均質(zhì)彈性體，注漿等代層的相關(guān)參數(shù)包括厚度、密度、彈性模量以及泊松比。由于在管廊結(jié)構(gòu)頂管施工過程中，注漿填充的程度以及管廊結(jié)構(gòu)外側(cè)土體受擾動(dòng)的程度和范圍等因素對(duì)地層位移有著重要的影響，但是在實(shí)際工程中難以分別量化；同時(shí)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，其組成成分與土體性質(zhì)以及注漿材料等因素均有關(guān)系，因此在有限元模擬時(shí)，將其概化為一均質(zhì)、等厚、彈性的等代層，以綜合考慮上述各因素對(duì)地層位移的影響。

優(yōu)選地，等代層厚度的計(jì)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(jié)構(gòu)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(zhì)相關(guān)的系數(shù)；