一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，包括获取不同岩层和土层的基本力学参数；生成三维地质模型；生成三维隧道实体模型；基于三维隧道实体模型，对三维隧道实体模型进行网格划分，并对隧道开挖区域、管片层及注浆层网格进行加密处理，得到网格模型；将划分好的网格模型导入FLAC 3D软件中，并分别赋予各个土层和岩层的力学参数；根据建模中隧道的分组情况，首先开挖先行隧道，开挖到盾构机机身长度后，激活盾构机单元，同时进行中盾注浆辅助或气压辅助，在盾构机尾部激活管片层，激活注浆层，待整个数值模型达到局部平衡后进入一下一个循环；开挖区域布设监测点，能够对隧道盾构进行真实的模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及城市地下工程开挖诱发地表变形的数值模拟技术领域，具体涉及一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法。

背景技术

现代城市建设过程中，盾构法是隧道施工采用的主要方法之一，具有掘进速度快、自动化程度高、施工劳动强度低、安全性强等优点，同时施工过程中不影响地面交通与设施，受季节、风雨等气候影响较小，但盾构法施工过程中不可避免会对土体产生扰动，诱发地表变形，严重时造成地表开裂、坍塌，对人们生命财产安全造成较大威胁。精确、有效地预测隧道开挖引起的地层变形，一直是学术界和工程界研究和关注的重点。

随着计算机技术的发展，数值模拟方法被认为是一种研究盾构隧道工程中所遇到的各种复杂问题的最有效方法之一。三维数值模拟方法能够较好地模拟隧道施工过程中的开挖面空间效应，可以得到更加符合工程实际的结果，FLAC 3D(Fast LagrangianAnalysis of Continua)是一款用于岩土工程分析的有限差分法软件，该软件在地下工程数值模拟领域应用较为广泛。

然而，目前在利用FLAC 3D对隧道施工过程进行数值模拟时，通常把整个过程进行简化，尤其是对管片支护、管片后注浆及盾构机注浆过程，过分简化后的模拟过程与盾构隧道实际开挖过程相差较大，对数值模拟结果产生较大的影响。此外，在盾构隧道施工过程的模拟中，通常只模拟直线段隧道开挖过程与地层变形，没有考虑隧道真实的路线，导致对盾构施工过程的模拟存在一些不合理的地方，导致地层变形的预测精度较差，无法制定有效的地层变形控制措施。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，其特征在于，包括：

步骤S1、通过地质勘察钻孔获取隧道地质信息，通过室内试验获取不同岩层和土层的基本力学参数；

步骤S2、画出二维地质剖面图，生成三维地质模型；

步骤S3、根据隧道的断面特征信息，包括隧道断面形状及尺寸、管片厚度及尺寸和注浆层厚度，绘制隧道开挖区域、管片和注浆层，根据隧道轴线空间位置生成三维隧道实体模型；

步骤S4、基于三维隧道实体模型，对三维隧道实体模型进行网格划分，并对隧道开挖区域、管片层及注浆层网格进行加密处理，得到网格模型；

步骤S5、将划分好的网格模型导入FLAC 3D软件中，根据室内试验获得的不同土层和岩层基本力学参数，针对土层和岩层分别选择合适的本构方程，本构方程的选取主要根据土层和岩层的力学参数及所处应力状态，并分别赋予各个土层和岩层的力学参数；

步骤S6、根据建模中隧道的分组情况，首先开挖先行隧道，开挖到盾构机机身长度后，激活盾构机单元，同时进行中盾注浆辅助或气压辅助，在盾构机尾部激活管片层，激活注浆层，待整个数值模型达到局部平衡后进入一下一个循环；

步骤S7、在开挖区域布设监测点，获取隧道开挖过程中地层变形及受力情况，监测点包括地表监测点和地层内监测点，地表监测点根据盾构现场实际布置位置监测为隧道正上方，间距1～2m左右隧道两侧各布置3～5个监测点，地层内监测点根据实际需要，在隧道周围布置，通过现场实际监测结果进行对比分析，确定数值模拟方法的有效性与准确性，而后针对未开挖区域，利用上述数值模拟方法预测开挖过程中地层受力及变形情况，根据数值模拟结果及时调整掘进方案及地层变形处理措施。

进一步地，所述步骤S1包括：

步骤S101、根据地质勘察钻孔取芯情况，划分地层岩性、地层厚度，进而获取该钻孔钻取地层的地层分布信息；

步骤S102、根据实际工程需要，多次钻孔取芯，通过大量的钻孔取芯获取研究区域的地层分布信息，分析地层分布信息，绘制二维地质剖面图，确定研究区域的地层分布情况，为后续数值模型的建立提供基本数据；

步骤S103、通过室内试验获取不同岩土地层基本力学参数，模拟研究区域岩土体的力学行为，使得数值模拟结果更好的指导现场施工，力学参数包括土体密度、岩石密度、土体弹性模量、土体泊松比、岩石弹性模量、岩石泊松比、土体或岩石摩擦系数和土体或岩石粘结强度。

进一步地，土体密度通过环刀测试法获得，利用一定容积的环刀切取土体试样，确保土体完全充填在环刀内，使得环刀的容积为土体的体积，土体密度的计算公式为：

ρ

其中，V

岩石密度通过量体法获取，将岩石的岩芯加工成标准圆柱试样，测量标准圆柱试样体积和重量，然后求得标准圆柱试样密度；

土体弹性模量和土体泊松比利用循环三轴试验测得，土体弹性模量的计算公式为；

其中，σ

土体泊松比的计算公式为：

其中，ε

岩石弹性模量和岩石泊松比利用单轴压缩试验测得，岩石弹性模量的计算公式为；

其中，σ

土体泊松比的计算公式为：

其中，ε

岩石摩擦系数、岩石粘结强度、土体摩擦系数和土体粘结强度均采用剪切试验获取，具体计算公式如下：

其中，σ为岩石法向应力或土体法向应力，τ为岩石剪切应力或土体剪切应力，

进一步地，所述步骤S2包括：

步骤S201、利用犀牛软件或CAD软件根据地层厚度和地层分界面，绘制二维地质剖面图，所有地层均需画出对应的曲线，并对所有地层分别命名；

步骤S202、使用拉伸命令，将二维地质剖面图生成为三维地质模型。

进一步地，所述步骤S3包括：

步骤S301、绘制隧道开挖轮廓，定义管片厚度T1，在管片与围岩之间定义注浆层厚度T2；

步骤S302、利用犀牛软件或CAD软件中的拉伸功能沿着隧道轴心线，分别生成隧道、管片和注浆层，并对隧道、管片和注浆层分别命名；

步骤S303、通过布尔运算，将生成的隧道、管片和注浆层与步骤2中的三维地质模型求差集，保证每部分模型不会重复生成。

进一步地，所述步骤S4包括：

步骤S401、对三维地质模型，输入网格参数，网格参数包括网格最大边长、最小边长和网格几何形状；

步骤S402、对隧道、管片和注浆层进行网格加密处理。

进一步地，在气压辅助模拟过中，从刀盘至盾尾位置，气体压力一致，不考虑气体泄漏。

进一步地，在盾构机尾部激活管片层，激活管片层的过程中激活注浆层，注浆过程中需考虑浆液凝结作用，根据实际采用浆液类型，模拟不同浆液凝固过程

进一步地，在注浆辅助模拟过程中，通过控制浆液的弹性模量和浆液的泊松比来模拟不同性质浆液的凝结过程，包括瞬时凝结型、快速凝结型、线性凝结型和良好流动性型，进而设置不同位置管片后浆液的弹性参数，令浆液的弹性模量为E，浆液的泊松比为v：

瞬时凝结型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

其中，a

快速凝结型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

E＝a

v＝a

其中，a

线性凝结型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

E＝a

v＝a

其中，a

良好流动性型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

式中，a

进一步地，在步骤S7中，地表隆起变形值过大需降低注浆压力与注浆量、降低掘进速率，地表变形处理不能仅将隆起处找平，还需将地表裂缝进行注浆充填；若地表沉降变形值过大需增大注浆压力与注浆量，且及时将沉降地表填平，如出现较大裂隙需注浆充填，防止过度塌陷。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，根据隧道地质信息，通过室内试验获取不同岩土地层基本力学参数后，建立三维地质模型，进而根据隧道的断面特征信息，绘制隧道开挖区域、管片和注浆层，根据隧道轴线空间位置生成三维隧道实体模型，能够真实模拟盾构隧道开挖路线，实现复杂三维数值模型的构建。

2.本发明所述的一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，考虑了工程现场盾构开挖过程中的中盾注浆和气压辅助，可真实地模拟盾构隧道开挖过程及地层受力和地表变形情况。

3.本发明所述的一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，考获取的模拟结果可直接指导现场施工方案及优化盾构掘进参数，有效控制地层变形，防止地层塌陷或隆起。

附图说明

图1为本发明的地质剖面图。

图2为本发明三维实体模型图。

图3为本发明隧道中心轴线图。

图4为本发明三维隧道模型图。

图5为本发明三维隧道网格模型图。

图6为本发明盾构隧道三维数值实体模型平面示意图。

图7为本发明盾构隧道三维数值实体模型剖面示意图。

图8为本发明盾构隧道三维数值实体模型图。

图9本发明盾构隧道开挖过程示意图。

图10发明不同类型浆液的弹性模量和泊松比图。

图11发明盾构开挖过程中地表实测变形与模拟结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法，如图1-图11所示，包括：

步骤S1、通过地质勘察钻孔获取隧道地质信息，通过室内试验获取不同岩层和土层的基本力学参数；

步骤S2、画出二维地质剖面图，生成三维地质模型；

步骤S3、根据隧道的断面特征信息，包括隧道断面形状及尺寸、管片厚度及尺寸和注浆层厚度，绘制隧道开挖区域、管片和注浆层，根据隧道轴线空间位置生成三维隧道实体模型；

步骤S4、基于三维隧道实体模型，对三维隧道实体模型进行网格划分，并对隧道开挖区域、管片层及注浆层网格进行加密处理，得到网格模型；

步骤S5、将划分好的网格模型导入FLAC 3D软件中，根据室内试验获得的不同土层和岩层基本力学参数，针对土层和岩层分别选择合适的本构方程，本构方程的选取主要根据土层和岩层的力学参数及所处应力状态，并分别赋予各个土层和岩层的力学参数；

步骤S6、根据建模中隧道的分组情况，首先开挖先行隧道，开挖到盾构机机身长度后，激活盾构机单元，同时进行中盾注浆辅助或气压辅助，在盾构机尾部激活管片层，激活注浆层，待整个数值模型达到局部平衡后进入一下一个循环；

步骤S7、在开挖区域布设监测点，获取隧道开挖过程中地层变形及受力情况，监测点包括地表监测点和地层内监测点，地表监测点根据盾构现场实际布置位置监测为隧道正上方，间距1～2m左右隧道两侧各布置3～5个监测点，地层内监测点根据实际需要，在隧道周围布置，通过现场实际监测结果进行对比分析，确定数值模拟方法的有效性与准确性，而后针对未开挖区域，利用上述数值模拟方法预测开挖过程中地层受力及变形情况，根据数值模拟结果及时调整掘进方案及地层变形处理措施。

本发明相对于现有技术，根据隧道地质信息，通过室内试验获取不同岩土地层基本力学参数后，建立三维地质模型，进而根据隧道的断面特征信息，绘制隧道开挖区域、管片和注浆层，根据隧道轴线空间位置生成三维隧道实体模型，能够真实模拟盾构隧道开挖路线，实现复杂三维数值模型的构建。

另外，还考虑了工程现场盾构开挖过程中的中盾注浆和气压辅助，可真实地模拟盾构隧道开挖过程及地层受力和地表变形情况。

最后，获取的模拟结果可直接指导现场施工方案及优化盾构掘进参数，有效控制地层变形，防止地层塌陷或隆起。

本发明中，如图1所示，所述步骤S1包括：

步骤S101、根据地质勘察钻孔取芯情况，划分地层岩性、地层厚度，进而获取该钻孔钻取地层的地层分布信息；

步骤S102、根据实际工程需要，多次钻孔取芯，通过大量的钻孔取芯获取研究区域的地层分布信息，分析地层分布信息，绘制二维地质剖面图，确定研究区域的地层分布情况，为后续数值模型的建立提供基本数据；

步骤S103、通过室内试验获取不同岩土地层基本力学参数，模拟研究区域岩土体的力学行为，使得数值模拟结果更好的指导现场施工，力学参数包括土体密度、岩石密度、土体弹性模量、土体泊松比、岩石弹性模量、岩石泊松比、土体或岩石摩擦系数和土体或岩石粘结强度。

通过获取室内力学参数，能够为FLAC 3D对隧道施工过程进行数值模拟时，提供数据支撑，使隧道开挖区域、管片层和注浆层更加接近真实情况，减少与盾构隧道实际开挖过程的差别。

具体地，所述步骤S103中，土体密度通过环刀测试法获得，利用一定容积的环刀切取土体试样，确保土体完全充填在环刀内，使得环刀的容积为土体的体积，土体密度的计算公式为：

ρ

其中，V

岩石密度通过量体法获取，将岩石的岩芯加工成标准圆柱试样，测量标准圆柱试样体积和重量，然后求得标准圆柱试样密度；

土体弹性模量和土体泊松比利用循环三轴试验测得，土体弹性模量的计算公式为；

其中，σ

土体泊松比的计算公式为：

其中，ε

岩石弹性模量和岩石泊松比利用单轴压缩试验测得，岩石弹性模量的计算公式为；

其中，σ

土体泊松比的计算公式为：

其中，ε

岩石摩擦系数、岩石粘结强度、土体摩擦系数和土体粘结强度均采用剪切试验获取，具体计算公式如下：

其中，σ为岩石法向应力或土体法向应力，τ为岩石剪切应力或土体剪切应力，

本发明中，如图2所示，所述步骤S2包括：

步骤S201、利用犀牛软件或CAD软件根据地层厚度和地层分界面，绘制二维地质剖面图，所有地层均需画出对应的曲线，并对所有地层分别命名；

步骤S202、使用拉伸命令，将二维地质剖面图生成为三维地质模型。

本发明根据地层厚度和地层分界面，绘制二维地质剖面图，进而通过二维地质剖面图生成为三维地质模型，使得本申请的三维地质模型更加接近于实际情况。

本发明中，如图3和图4所示，所述步骤S3包括：

步骤S301、绘制隧道开挖轮廓，定义管片厚度T1，在管片与围岩之间定义注浆层厚度T2；

步骤S302、利用犀牛软件或CAD软件中的拉伸功能沿着隧道轴心线，分别生成隧道、管片和注浆层，并对隧道、管片和注浆层分别命名；

步骤S303、通过布尔运算，将生成的隧道、管片和注浆层与步骤2中的三维地质模型求差集，保证每部分模型不会重复生成。

本发明中，如图5所示，所述步骤S4包括：

步骤S401、对三维地质模型，输入网格参数，网格参数包括网格最大边长、最小边长和网格几何形状；

步骤S402、对隧道、管片和注浆层进行网格加密处理。

本发明步骤4中，在工程现场比较关心的区域，即盾构隧道开挖区域，网格尺寸较小，计算量大，计算结果准确，而距离隧道一定距离的模型网格尺寸较大，这样在不影响隧道附近周围计算结果的前提下，可以大大减少整个数值模拟的计算量。

本发明实施例中，采用4边形网格对三维实体模型进行网格划分，网格最大边长为0.5m，最小边长为0.01m，对隧道、管片和注浆层进行网格加密处理过程中，将网格最大边长设置为0.05m，最小边长设置为0.01m。

在本发明步骤5中，如图6-图8所示，由于岩体和土体的基本力学性质差别很大，针对岩土体分别赋予各自的本构方法，可以更为准确的模拟岩土体在开挖和注浆条件下的力学相应，因此在FLAC 3D软件中，根据室内试验获得的不同土层和岩层基本力学参数，针对土层和岩层分别选择合适的本构方程，本构方程的选取主要根据土层和岩层的力学参数及所处应力状态，并分别赋予各个土层和岩层的力学参数。

在本发明一个实施例中，在步骤S6中，如图9所示，通过FLAC3D中的zonecreate命令激活管片层的过程中激活注浆层，利用软件solve命令将待整个数值模型达到局部平衡后进入一下一个循环。

在步骤S6中，在气压辅助模拟过中，从刀盘至盾尾位置，气体压力一致，不考虑气体泄漏。

在步骤S6中，在注浆辅助模拟过程中，盾构机中部注浆孔位置压力最高，考虑浆液凝结作用，随着距离的增加注浆压力往盾尾和刀盘方向呈现不同规律的变化，根据模拟浆液的性质，注浆压力呈现线性减小，浆液弹性模量线性增加，泊松比呈现线性减小，注浆压力呈现指数减小，浆液弹性模量呈指数增加，泊松比呈现指数减小。

在步骤S6中，在盾构机尾部激活管片层，激活管片层的过程中激活注浆层，注浆过程中需考虑浆液凝结作用，根据实际采用浆液类型，模拟不同浆液凝固过程。

在注浆辅助模拟过程中，通过控制浆液的弹性模量和浆液的泊松比来模拟不同性质浆液的凝结过程，如图10所示，包括瞬时凝结型、快速凝结型、线性凝结型和良好流动性型，进而设置不同位置管片后浆液的弹性参数，令浆液的弹性模量为E，浆液的泊松比为v：

瞬时凝结型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

其中，a

快速凝结型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

E＝a

v＝a

其中，a

线性凝结型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

E＝a

v＝a

其中，a

良好流动性型，浆液的弹性模量与浆液的泊松比的计算公式为：

式中，a

盾尾处浆液为液体，注浆层中浆液压力为注浆压力，弹性模量采用浆液液体状态下的弹性模量，泊松比为0.5，随着距离盾尾距离增加，注浆浆液逐渐凝固，根据所用浆液特性，分别设置后面5-7环注浆层，浆液压力、弹性模量和泊松比根据浆液特性，选择相应的公式赋予参数值，最后浆液完全凝固后设置为固体。

在步骤S7中，在开挖区域布设监测点，获取隧道开挖过程中地层变形及受力情况，首先与现场实际监测结果进行对比分析，确定数值模拟方法的有效性与准确性，本发明给出的盾构隧道开挖过程及地表变形三维有限差分数值模拟方法地表变形数据对比如图11所示，在开挖掌子面距离监测点10m左右的范围内，地表变形较小，随着盾构机的掘进，当开挖至监测点时(0m)，地表开始快速下沉，当盾构通过监测点后，即盾尾到达监测点，开始同步注浆，地表变形值明显减少，随着盾构机的不断开挖，地表变形逐步趋于稳定。有图可知，本发明的地表变形值与变形规律与现场实测数据吻合度均较好，表明数值模拟方法的有效性和准确性很好。而后，针对未开挖区域，利用上述数值模拟方法预测开挖过程中地层受力及变形情况，地表隆起变形值过大需降低注浆压力与注浆量、降低掘进速率，地表变形处理不能仅将隆起处找平，还需将地表裂缝进行注浆充填；若地表沉降变形值过大需增大注浆压力与注浆量，且及时将沉降地表填平，如出现较大裂隙需注浆充填，防止过度塌陷。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。