盾構(gòu)掘進(jìn)過程數(shù)值模擬方法研究及應(yīng)用.pdf

1、在城市地下空間建設(shè)中,盾構(gòu)法由于其安全性、快速性、經(jīng)濟(jì)性成為隧道建設(shè)的首選。然而,盾構(gòu)法施工過程包含了復(fù)雜的物理力學(xué)作用,如何準(zhǔn)確預(yù)測地表沉降、開挖面穩(wěn)定性、構(gòu)筑物安全性、盾構(gòu)姿態(tài)、盾構(gòu)刀盤扭矩等關(guān)鍵因素,以及如何分析各參數(shù)的相互作用關(guān)系,成為當(dāng)前盾構(gòu)法安全性研究領(lǐng)域極為困難而又必須的工作。
　　 本文在將盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)穩(wěn)態(tài)過程離散成逐步穩(wěn)態(tài)過程的基礎(chǔ)上,詳細(xì)考慮并分析了盾構(gòu)-土體-構(gòu)筑物這一系統(tǒng)中的各影響因素,針對盾構(gòu)法施工過

2、程的宏觀穩(wěn)態(tài)特性與局部刀盤切削的動(dòng)態(tài)特性,提出了盾構(gòu)掘進(jìn)過程的細(xì)致模擬方法,實(shí)現(xiàn)了對盾構(gòu)法施工關(guān)鍵因素的預(yù)測及對各參數(shù)相互作用關(guān)系的分析,并將這一方法在大型盾構(gòu)隧道工程領(lǐng)域得到了驗(yàn)證及應(yīng)用。
　　 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的宏觀特性是盾構(gòu)法施工的重要研究內(nèi)容,通過對盾構(gòu)法施工過程中,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)、環(huán)境構(gòu)筑物因素以及施工因素的完整性考慮,建立了盾構(gòu)-土體-構(gòu)筑物系統(tǒng)的細(xì)致三維有限元模型,提出了盾構(gòu)穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)過程的數(shù)值模擬方法。針對南

3、京長江隧道工程,實(shí)現(xiàn)了對地表隆沉、長江大堤隆沉、開挖面穩(wěn)定性、盾構(gòu)姿態(tài)等宏觀特性的預(yù)測。通過對盾構(gòu)自重分布、機(jī)身結(jié)構(gòu)坡度、推進(jìn)力大小及分布、盾構(gòu)超挖、長江大堤自重及剛度的影響模擬,擴(kuò)大了在盾構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)匹配、構(gòu)筑物安全性預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　 除宏觀特性外,盾構(gòu)掘進(jìn)過程的局部動(dòng)態(tài)特性是另一項(xiàng)重要研究內(nèi)容,特別是盾構(gòu)刀盤的動(dòng)態(tài)切削過程,無論對刀盤結(jié)構(gòu)受力或?qū)﹂_挖面土層穩(wěn)定性都具有重要影響。為了研究刀盤與土體之間的動(dòng)態(tài)相互

4、作用關(guān)系,提出了刀盤切削土體的三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬方法。解決了土體大變形、失效面的客觀形成、切屑自然流動(dòng)等難點(diǎn)問題。實(shí)現(xiàn)了對多尺度模型的縮減、模型精細(xì)度的確定及地層應(yīng)力場的初始化。通過在大型模型盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用與驗(yàn)證,得到了刀盤結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),探討了模型網(wǎng)格精細(xì)度對結(jié)果精度的影響,分析了刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速、加速度、土體強(qiáng)度參數(shù)之間的作用關(guān)系,為基于動(dòng)荷載的刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與刀盤選型提供一定的參考。
　　 大量研究表明,盾構(gòu)法施工改變

5、了地層的原始應(yīng)力狀態(tài),形成了擾動(dòng)地應(yīng)力場,直觀表現(xiàn)為地表隆沉。該擾動(dòng)地應(yīng)力場必然對刀盤結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)受力與開挖面動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。因此,提出了盾構(gòu)穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)與刀盤動(dòng)態(tài)切削的聯(lián)合數(shù)值模擬方法。將盾構(gòu)穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)數(shù)值模擬形成的擾動(dòng)地應(yīng)力場作為研究開挖面動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與刀盤動(dòng)態(tài)切削特性的外部邊界條件,反映了盾構(gòu)法施工的實(shí)際工況。利用子模型方法協(xié)調(diào)了模型網(wǎng)格精細(xì)度,控制了擾動(dòng)地應(yīng)力場傳遞的精度。通過在上海崇明越江隧道工程試驗(yàn)段中的應(yīng)用與驗(yàn)證,得到了擾動(dòng)

6、地應(yīng)力場分布以及刀盤扭矩的變化關(guān)系,為刀盤土層適應(yīng)性研究、刀盤工作參數(shù)控制提供了方法參考。
　　 針對盾構(gòu)掘進(jìn)過程數(shù)值模擬的超大計(jì)算量需求,研究了SMP與DMP并行計(jì)算平臺(tái)下,盾構(gòu)穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)過程數(shù)值模擬的并行計(jì)算效率以及盾構(gòu)刀盤切削土體動(dòng)態(tài)模擬的最佳并行分區(qū)策略。研究結(jié)果顯示:針對盾構(gòu)穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)過程數(shù)值模擬中,迭代法計(jì)算效率遠(yuǎn)大于直接法,其中以AMG、PCG并行算法求解速度最快,DPCG的最佳求解CPU數(shù)為12；針對盾構(gòu)刀盤切削土體