[发明专利]多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法

摘要

本发明属隧道工程领域，具体涉及一种多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法。本方法的操作步骤为：第一步确定土体本构模型，第二步模拟初始自重应力场，第三步模拟等代层结构，第四步模拟隧道管片结构，第五步模拟浆液硬化过程，第六步模拟盾构推进对运营地铁隧道影响过程。本模拟方法详细考虑了多线叠交隧道施工的复杂工况，采用了刚度迁移法来模拟盾构推进过程，其中在衬砌和土体扰动带中预设生死单元，采用在不同施工步激活生死单元改变单元材料力学特性的方法来反映盾构施工的动态过程。在本模拟方法中，采用薄层单元来模拟多线叠交隧道以任意角度斜交施工工况，可以避免常规有限元方法在模拟此类施工工况时较难收敛的缺陷。

主权项

一种多线叠交隧道施工过程及对隧道变形影响数值模拟方法，其特征在于，该模拟方法操作步骤如下：第一步，确定土体基本物理力学参数并采用Drucker‑Prager准则模拟土体本构关系：土体基本物理力学参数为各层土体重度、内聚力、内摩擦角、压缩模量和泊松比，通过现场原位测试结合室内试验共同确定；Drucker‑Prager准则能较好反映土体非线性特性，同时可避免其他准则屈服面在棱角处引起数值计算上的困难，从而避免奇异结果的出现；第二步，进行初始自重应力场模拟：软土地层初始应力场通常为土体自重应力场，其在任意深度处土体竖向应力值为土体重度与该处土体深度的乘积，而该处土体水平向应力值为该处土体竖向应力值与静止土压力系数的乘积；静止土压力系数值可采用室内三轴仪测得，在原位可采用自钻式旁压仪测试得到；第三步，进行等代层结构模拟：将与隧道施工密切相关但又不易量化的变量——盾尾空隙的大小、注浆充填程度以及隧道壁面土体受扰动的程度和范围等效为一层均质等厚的等代层，使这些不易量化的因素在理论算法中得以实现；等代层中的材料是土、水泥浆及土与水泥浆的混合体，其组成比例与土的性质、浆体材料和注浆压力等有关，可将等代层作为弹性材料看待，其参数包括厚度、弹性模量和泊松比；第四步，模拟隧道衬砌管片结构：衬砌一般采用全圆周通缝或者错缝拼装工艺，管片环与环之间采用高强螺栓相连接；将每环隧道管片在横向假设为一均质圆环，在纵向上考虑环与环之间连接对隧道整体刚度的降低，将模型中衬砌弹性模量折减为原来强度的85%，泊松比保持不变；考虑到混凝土管片衬砌一般在弹性阶段工作，可以采用弹性模型来模拟衬砌管片结构；第五步，进行盾尾注浆以及浆液硬化过程模拟：浆体由液态逐渐硬化，但液态难以模拟，采用改变等代层结构的物理力学参数来模拟，选取三个典型抗压强度值来模拟浆液硬化过程，具体为0.1MPa、1MPa和10MPa；同时布置等效均布力，即在挖掉土体后形成隧道洞室的土体和衬砌单元面上分别施加均布压力；第六步，模拟盾构施工过程及其对临近既有运营地铁隧道的变形影响过程：在所述第一至第五步骤工作基础上，采用刚度迁移法来模拟盾构推进的全过程；将盾构向前推进作为一个跳跃式非连续过程来研究，在衬砌、等代层和土体扰动带中预先设置生死单元，用在不同时机激活生死单元改变单元材料力学特性的方法来反映盾构开挖和注浆以及施衬的动态过程；实际操作中，在盾构机壳和管片周围土体扰动带设定预制单元，开挖面推进时，盾构机壳逐渐深入，土体扰动带的单元刚度降低到很小，即趋向于10‑6，随后注浆体的硬度逐渐发生变化，另外衬砌的支护开始作用，这种情况下激活预先设置的死单元来实现其作用；当掘进隧道与既有运营隧道呈现一定夹角进行斜交穿越施工时，采用薄层单元来实现不同离散区域的节点耦合，实现盾构对临近既有运营地铁隧道的穿越影响模拟。