盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法

摘要

本发明涉及一种盾构地铁隧道岩层‑衬砌受力变形的数值求解方法，包括：1）根据地质勘察资料，明确隧道结构的几何参数、材料参数；2）建立二维数值计算模型，划分模型网格，明确模型边界条件与应力场条件，将模型算至平衡；3）根据材料属性施加重力荷载，将模型位移清零并算至平衡；4）在模型中开挖隧道，基于间隙参数明确非均匀变形收敛模式，通过调试岩层边界每节点应力来控制位移边界，将模型算至平衡；5）在隧道边界处施加衬砌，释放隧道边界应力将其减小至0，将模型算至平衡；6）根据平衡后模型，提取岩层‑衬砌受力与变形分布规律。本发明通过对浅埋盾构地铁的三维数值方法进行简化，可为盾构地铁结构的设计提供有益参考。

说明书

技术领域

本发明属于盾构地铁隧道工程计算机辅助设计技术领域，涉及一种盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法。

背景技术

盾构地铁隧道岩层-衬砌协同作用一直是城市轨道交通安全控制的关键课题，围岩-衬砌作用导致的围岩失稳和衬砌破坏给施工安全带来极大隐患。针对该问题，目前研究多采用解析方法和数值方法对围岩-衬砌受力变形进行计算。解析方法依赖于严谨的理论公式及推导过程，对于盾构地铁隧道，一般来讲处于浅埋条件下，复杂的应力场环境难以通过理论公式体现出来；若采用三维数值方法，建模过程复杂，操作繁琐，计算量大，计算成本高，故亟须提出一种计算简单、易于理解的方法对围岩-衬砌受力变形展开研究。在有限元分析计算过程中，对于符合平面条件下的特定结构，可将复杂的三维模型简化为二维模型。二维数值方法可缩短计算周期，节约计算成本，是分析围岩与衬砌变形的重要研究手段。

目前，关于二维数值分析的研究大多假定盾构隧道开挖后岩层立即与衬砌发生相互作用，然而在实际盾构施工中，岩层在与衬砌作用前已经产生了部分变形。为此，部分研究通过控制应力释放率来模拟岩层预先的变形，但该技术主要适用于深埋隧道新奥法开挖，对于浅埋隧道，岩土层在衬砌施加前即产生不均匀变形，难以采用应力释放方法进行模拟。因此，在二维分析中，亟须引入合理的不均匀变形模式，采用更准确的技术对地铁盾构隧道的围岩-衬砌受力变形进行估计。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种过程较为简易、在工程中具备更广泛适用性的盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法，其特征在于：所述盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法包括以下步骤：

1)根据地质勘察资料，提取隧道几何参数与隧道岩层力学参数；所述隧道几何参数包括隧道埋深与隧道直径；所述隧道岩层力学参数包括弹性模量、泊松比、重度与侧压力系数；

2)利用二维有限元软件ROCSCIENCE PHASE2建立二维数值计算模型并进行模型网格划分，明确二维数值计算模型边界条件与应力场条件，赋予二维数值计算模型力学参数值，将二维数值计算模型算至平衡；

3)基于步骤2)计算结果，添加初始地应力平衡计算阶段，根据岩层重度与侧压力系数施加重力荷载，将二维数值计算模型位移清零，并将二维数值计算模型算至平衡，得到地应力平衡之后的模型；

4)基于步骤3)计算结果，添加控制位移计算阶段，在模型中开挖隧道，基于间隙参数明确非均匀变形收敛模式，计算位移边界，通过调试岩层边界每节点应力来控制位移边界，将模型算至平衡；

5)基于步骤4)计算结果，添加释放应力计算阶段，施作衬砌并释放隧道边界应力，在隧道边界处施加衬砌，释放隧道边界应力并减小至0，将模型算至平衡；

6)基于步骤5)计算结果，获取岩层应力云图、位移云图、衬砌轴力分布图、衬砌弯矩图与衬砌变形分布图。

作为优选，本发明所采用的步骤2)的具体实现方式是：

2.1)运行ROCSCIENCE PHASE2软件，在建模界面点击菜单栏选项Add External，输入坐标点创建模型外边界，所述模型尺寸为X×Y＝80m×30m；点击菜单栏选项AddExcavation，点击鼠标右键在弹出的界面中选择Circle Options选项，输入隧道半径与挖掘中心坐标，创建圆形隧道的开挖边界，点击菜单栏选项Mesh Setup，在弹出的对话框中指定网格类型为Graded，单元类型指定为6Noded Triangles，输入挖掘边界节点数，指定各项参数后，依次点击选项框中的Discretize选项和Mesh选项，完成模型建立与网格划分；

2.2)点击菜单栏中的选项Restrain X对二维数值计算模型左、右两侧施加法向约束，点击菜单栏选项Restrain X Y对二维数值计算模型底部施加固定约束，点击菜单栏选项Free Restraints将二维数值计算模型上边界设为自由边界；根据浅埋隧道应力分布特点，选择重力场作为模型的应力场条件，点击菜单栏选项Field Stress Parameters，在弹出的选项框中指定应力场类型为Gravity，输入地面标高、岩层单位重度与侧压力系数，点击选项框中的OK选项，完成模型应力场的设置；根据所提取的岩石力学参数赋予模型材料属性，点击菜单栏选项Define Material Properties，在弹出的选项框中选择弹性本构，输入弹性模量值与泊松比，完成模型的材料赋值。

作为优选，本发明所采用的步骤3)的具体实施方式是：基于步骤2)中建立的二维数值计算模型，点击菜单栏选项Project Settings，添加计算阶段并命名为初始地应力平衡计算阶段；在本阶段点击菜单栏选项Displacements，在弹出的选项框中选择选项ResetAll Displacements，将本阶段的位移清零，点击Computer将模型计算至平衡状态，得到地应力平衡之后的模型。

作为优选，本发明所采用的步骤4)的具体实现方式是：

4.1)基于步骤3)中建立的二维数值计算模型，点击菜单栏选项ProjectSettings，添加计算阶段并命名为控制位移阶段；并对隧道进行开挖，点击菜单栏选项Assign Properties，在弹出的对话框中点击Excavate，设置挖掘中心，对隧道进行开挖；

4.2)基于经验公式，结合岩层力学参数获取间隙参数g，根据间隙参数g算得隧道开挖边界各节点的位移；

4.3)点击Add Triangular Load选项，在Add Distribute Load选项框中输入所施加的非均匀分布应力的最大值和最小值，点击OK选项，选择岩层边界需要施加应力的节点，完成开挖边界的应力施加；之后点击Computer选项将模型计算至平衡状态；计算完成后，点击Interpret选项，在Select Data To View的下拉选项框中选择Total Displacement选项，鼠标左键单击隧道开挖边界，在弹出的选项框中选择Query Boundary，查询施加应力后的岩层位移结果，重复以上步骤调试应力边界直至开挖边界达到非均匀收敛变形模式。

作为优选，本发明所采用的步骤5)的具体实现方式是：

5.1)基于步骤4)中建立的二维数值计算模型，点击菜单栏选项ProjectSettings，添加计算阶段并命名为释放应力计算阶段；在本阶段点击菜单栏选项DefineLiner Properties，在弹出的选项框中，分别输入衬砌的弹性模量、泊松比与厚度，点击OK选项完成衬砌的赋值，点击菜单栏选项Add Liner，选择隧道开挖边界，点击Enter键，完成衬砌的施加；

5.2)点击菜单栏选项Add Triangular Load，选择Stage Load选项，之后点击Stage Factors选项，在Stage Factors选项框中设置本阶段的Factor为0，点击OK选项完成岩层边界的应力释放，点击Compute选项将模型计算至平衡状态。

有益效果：

本发明提供了一种盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法，依据隧道几何参数与力学参数建立二维数值计算模型并对模型进行初始地应力平衡，基于非均匀收敛变形模式，获取隧道开挖边界所需要施加的位移边界并求出该位移边界对应的应力，施加衬砌后释放应力得出岩层-衬砌变形受力规律。该方法相对于三维数值计算方法，所需的计算时间和储存空间都大幅降低，能够在盾构地铁结构设计分析中广泛应用。

附图说明

图1为本发明所提供的盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法的流程图；

图2为隧道开挖后模型网格划分图；

图3为非均匀收敛变形模式图；

图4为施加应力后的岩层边界示意图；

图5为施加应力后控制位移结果图；

图6为盾构隧道岩层应力云图；

图7为盾构隧道岩层位移云图；

图8为盾构隧道衬砌轴力与弯矩分布图；

图9为盾构隧道衬砌变形分布图。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

一种盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法，实施流程图如图1所示，具体步骤如下所述：

(1)根据地质勘察资料，提取隧道几何参数如隧道直径、隧道埋深，提取岩层力学参数如弹性模量、重度、泊松比、侧压力系数。各参数列入表1中。

表1选取工况参数取值

(2)利用二维有限元软件ROCSCIENCE PHASE2建立隧道开挖模型，模型各项参数取值见表1。具体操作步骤如下所述：双击ROCSCIENCE PHASE2软件图标，运行软件，在建模界面点击菜单栏选项Add External，输入坐标点(40，-15)，(-40，-15)，(-40，15)，(40，15)创建模型外边界，模型尺寸为X×Y＝80m×30m(通过不断调试模型的水平边界和底边界，得到合理的外边界以弱化边界效应对模型计算的影响)。点击菜单栏选项Add Excavation，点击鼠标右键，在弹出的界面中选择Circle Options选项，输入隧道半径1.33m与挖掘中心坐标(0，-3.5)，创建圆形隧道的开挖边界，点击菜单栏选项Mesh Setup，在弹出的对话框中指定网格类型为Graded，单元类型指定为6Noded Triangles，挖掘边界节点数输入40，指定各项参数后，依次点击选项框中的Discretize选项和Mesh选项，完成模型建立与网格划分。

分别对模型左侧和右侧施加法向约束，对模型底部施加固定约束，对地表施加自由边界，具体操作为：点击菜单栏中的选项Restrain X对模型左、右两侧施加法向约束，点击菜单栏选项Restrain XY对模型底部施加固定约束，点击菜单栏选项Free Restraints将模型上边界设为自由边界。根据浅埋隧道应力分布特点，选择重力场作为模型的应力场条件，点击菜单栏选项Field Stress Parameters，在弹出的选项框中指定应力场类型为Gravity，输入地面标高为15m，输入岩层单位重度为0.017MN/m

(3)基于步骤(2)中建立的二维数值计算模型，点击菜单栏选项ProjectSettings，添加计算阶段并命名为初始地应力平衡计算阶段。在本阶段点击菜单栏选项Displacements，在弹出的选项框中选择选项ResetAll Displacements，将本阶段的位移清零，点击Computer将模型计算至平衡状态，得到地应力平衡之后的模型。

(4)基于步骤(3)中建立的二维数值计算模型，点击菜单栏选项ProjectSettings，添加计算阶段并命名为控制位移阶段。并对隧道进行开挖，具体操作为：点击菜单栏选项Assign Properties，在弹出的对话框中点击Excavate，设置挖掘中心为(0，-3.5)，对隧道进行开挖，开挖后的模型网格见图2。

根据间隙参数明确非均匀变形收敛模式，具体步骤如下所述：通过经验公式与岩层力学参数估算得到间隙参数g为20mm，根据间隙参数可算得洞室周边各节点的位移，所得非均匀收敛变形模式如图3所示。通过调试岩层边界每节点应力来控制位移边界，具体操作为：点击Add Triangular Load选项，在Add Distribute Load选项框中输入所施加的非均匀分布应力的最大值和最小值，点击OK选项，选择岩层边界需要施加应力的节点，完成开挖边界的应力施加；之后点击Computer选项将模型计算至平衡状态；计算完成后，点击Interpret选项，在Select Data To View的下拉选项框中选择Total Displacement选项，鼠标左键单击隧道开挖边界，在弹出的选项框中选择Query Boundary，查询施加应力后的岩层位移结果，重复以上步骤反复调试应力边界直至开挖边界达到图3所示的非均匀收敛变形模式，图4为施加应力后的岩层边界示意图，图5为施加应力后控制位移结果图。

(5)基于步骤(4)中建立的二维数值计算模型，点击菜单栏选项ProjectSettings，添加计算阶段并命名为释放应力计算阶段。在本阶段点击菜单栏选项DefineLiner Properties，在弹出的选项框中，分别输入衬砌的弹性模量25GPa，泊松比0.3，厚度0.1m，点击OK选项完成衬砌的赋值，点击菜单栏选项Add Liner，选择隧道开挖边界，点击Enter键，完成衬砌的施加。

释放隧道边界应力并减至0，具体操作为：点击菜单栏选项Add Triangular Load，选择Stage Load选项，之后点击Stage Factors选项，在Stage Factors选项框中设置本阶段的Factor为0，点击OK选项完成岩层边界的应力释放，点击Compute选项将模型计算至平衡状态。

(6)基于步骤(5)计算结果，获取岩层应力云图、位移云图、衬砌轴力与弯矩分布图、衬砌变形图，如图6～9所示。