[发明专利]盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法

说明书

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。

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：