[发明专利]浅埋盾构隧道围岩压力的二维数值求解方法

说明书

本发明涉及一种浅埋盾构隧道围岩压力的二维数值求解方法，包括：1）根据地质勘察资料，提取结构的几何参数、材料参数，应用二维有限元软件ROCSCIENCE PHASE2建立模型，赋予材料属性与单元属性，明确模型边界条件；2）根据材料属性施加重力荷载，将模型计算至平衡状态；3）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，将模型计算至平衡状态；4）在隧道边界处施加管片单元，并释放应力，将模型计算至平衡状态；5）根据平衡模型，获得隧道开挖边界不同位置处围岩压力分布。本发明提供了一种能快速得到结果、计算过程简单、较易在盾构地铁结构设计分析中推广应用的围岩压力计算方法。

技术领域

本发明属于盾构地铁工程计算机辅助设计技术领域，涉及一种盾构地铁隧道围岩压力的数值求解方法。

背景技术

隧道在岩层中开挖后，岩土体受扰动发生应力重分布进而向洞内产生收敛变形，由于受到支护阻拦，在支护与岩层接触面上将产生压力，该压力为作用于支护结构上的荷载，即围岩压力。围岩压力作用模式和计算方法作为隧道围岩与支护结构作用关系的核心内容，对于隧道施工的顺利推进具有重要意义，一直是隧道学术界与工程界关心的热点问题。

随着盾构浅埋隧道在城市地铁建设中应用愈发广泛，浅埋盾构开挖施工的围岩压力计算分析也得到日益关注。经验公式法是目前应用最为广泛和发展较为成熟的围岩压力确定方法，以实际工程资料为基础，便于工程技术人员方便快捷地计算围岩压力的大小与分布模式。但由于现场施工地层条件复杂多变，该法无法获取较为准确的围岩压力。解析方法可通过简洁的数学公式算得较为合理的围岩压力，然而该法存在诸多假定，一般主要适用于深埋岩层，地铁盾构隧道的埋深普遍较浅，地表为自由面，且自重应力随着埋深增加而增大，力学机理很复杂，采用解析方法来计算围岩压力很难实现。

数值分析方法是一种有效计算手段，其中三维数值方法可根据真实地质情况计算分析岩层-支护作用以及围岩压力分布，预测出合理结果，但该法操作过程较复杂，需明确的参数及考虑的施工细节较多，模型庞大，复杂模型大量的网格增加了计算收敛的难度且耗费大量的计算与存储时间。相比之下，二维数值方法可缩短计算周期、节约计算成本、实用性高，更为简洁，计算量远小于三维分析。但在当前诸多二维分析中，多数认为岩层开挖后即与管片发生作用，未考虑实际工程中衬砌滞后作用或超挖间隙；部分研究根据应力释放率来考虑这些效应，但该假定主要适用于深埋隧道，对于浅埋隧道，由于开挖岩层出现地层损失，隧道周边岩土体产生不均匀变形，很难依据应力释放率进行模拟。故在二维分析中，须基于合适的地层收敛变形模式，寻求合理而简便的技术对盾构隧道的围岩压力进行预测。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述问题，本发明提供了一种能够快速得到理论结果、过程较为简单、可在工程中具备更广泛适用性的浅埋盾构隧道围岩压力的数值求解方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种浅埋盾构隧道围岩压力的二维数值求解方法，其特征在于：所述浅埋盾构隧道围岩压力的二维数值求解方法包括以下步骤：

1)根据地质勘察资料，提取结构的几何参数与岩层的材料参数，应用二维有限元软件ROCSCIENCE PHASE2建立二维模型并进行网格划分，根据岩层的材料参数赋予网格单元的材料属性；

2)基于步骤1)中建立的二维模型，根据材料参数赋予应力属性，对二维模型施加重力荷载与横向约束力，并将二维模型计算至平衡状态，将岩层位移清零，得到初始地应力平衡模型：

3)基于步骤2)所得到的初始地应力平衡模型，根据结构的几何参数决定隧道的开挖位置，结合实际地质参数与已有研究间隙参数的经验方法得到间隙参数，根据间隙参数获得非均匀变形收敛模式，基于非均匀变形收敛模式，通过调试岩层边界各节点应力来控制位移边界，将初始地应力平衡模型计算至平衡状态，并最终得到边界位移达到所确定的非均匀收敛变形模式；