考虑地层抗剪强度各向异性隧道盾构掘进数值模拟方法

本发明涉及盾构隧道工程数值模拟，尤其是考虑地层抗剪强度各向异性隧道盾构掘进数值模拟方法。

背景技术：

1、随着城市规模的不断扩大和人口的不断增长，地铁等地下隧道工程迅速发展，地下隧道常采用盾构法开挖。隧道盾构法开挖是指盾构机在刚外壳的保护下，利用开挖面刀盘在设计隧道开挖线上对隧洞周围岩土进行挖掘，向前掘进的同时在后方形成衬砌结构支护，通过顶推开挖面的刀盘装置不断向前推动。

2、隧道围岩的力学性质一直以来都是工程设计支护以及评判工程安全的基础，长期受到国内外学者的重点关注。目前，国内外研究者通常将隧道围岩看成是各向同性的弹性材料来研究，但是实际中由于隧道围岩在不同方向上的结构特性、力学属性以及应力应变关系各不相同，总是呈现各向异性的力学特征。且隧道围岩各向异性特征主要受强度、结构特征以及加载方向等影响。

3、目前，在隧道盾构掘进的数值模拟研究中，大多数受限于建模的复杂程度和缺乏合理地考虑各向异性因素的数值模拟方法，而将隧洞开挖掘进时洞周地层材料视为各向同性，且初始模型的建立不够精细。因为隧道围岩具有非均质、非线性、非连续等特点，在隧道开挖过程中频繁受到加载卸荷的作用，同时承受着复杂的边界条件，在各向异性地层的地质环境中将隧道掘进的地层材料视为各向同性的数值模拟方法并不能考虑到在开挖应力的影响下地层材料的抗剪性质变化。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供考虑地层抗剪强度各向异性隧道盾构掘进数值模拟方法，考虑地层材料抗剪强度各向异性因素可以更为精准地模拟盾构掘进过程中的地表沉降和塑性区的产生，弥补了以往关于盾构掘进模拟仅考虑材料各向同性影响因素不全面的缺点。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

3、考虑地层抗剪强度各向异性隧道盾构掘进数值模拟方法，包括以下步骤：

4、s1，根据隧道现场工程地质条件与隧道尺寸大小，确定隧道三维有限元计算模型的尺寸范围与地层材料特征；

5、s2，根据盾构机的结构尺寸与运行方式，以及盾壳推进、管片安装、盾尾注浆的过程，在隧道三维有限元计算模型中设置盾壳单元、管片单元、施加掌子面压力、注浆压力，确定隧道盾构掘进的仿真模拟过程；

6、s3，根据地层材料抗剪强度各向异性特征，采用微结构张量表征地层材料抗剪强度各向异性，得到地层材料抗剪强度的各向异性表达式；

7、s4，使用三维仿真计算软件，建立地层材料抗剪强度各向异性模拟的分析方法，开展隧道盾构掘进过程的数值计算，得到盾构掘进地层的沉降值、塑性区范围，用于分析盾构掘进对地层的扰动程度。

8、优选的，步骤s1中，根据隧道现场工程地质条件与隧道尺寸大小，采用三维仿真计算软件建立地层几何模型，在该地层几何模型中，采用八节点六面体单元，x方向为隧道横截面方向，y方向为隧道纵向开挖方向，z方向为竖向方向，地层几何模型按照地层材料的不同性质分层设置。

9、优选的，步骤s2中，采用三维仿真计算软件模拟盾构机的施工掘进过程，根据盾构机的结构尺寸与运行方式，在三维仿真计算软件中通过改变隧道周围单元的参数属性来模拟盾构循环掘进与管片拼装过程，盾构循环掘进中，通过等代层单元模拟盾尾的注浆压力。

10、优选的，盾构机盾壳的长度为n环管片，采用掌子面后n环管片长度来模拟盾壳单元的激活，采用m环管片长度来模拟受到盾尾注浆压力作用的管片单元，盾构机的施工掘进过程的具体仿真模拟步骤如下所示：

11、s21，初始应力场的生成，即激活所有地层和围护结构单元，选择重力场作为隧道三维有限元计算模型的应力场条件，计算得到隧道三维有限元计算模型的初始应力后，将初始位移和速度清零；

12、s22，第1环开挖，钝化第1环的隧道和管片单元，将掌子面压力施加在开挖面上，激活第1环的等代层单元为盾壳单元；

13、s23，第2环开挖，钝化第2环的隧道和管片单元以及第1环的掌子面压力，激活第2环的等代层单元为盾壳单元，并将掌子面压力施加在开挖面上；

14、s24，按照步骤s23的方式，继续进行盾构掘进直至第n环开挖，盾壳完全进入隧道内，钝化第n环的隧道和管片单元以及第n-1环的掌子面压力，激活第n环的等代层单元为盾壳单元，并将掌子面压力施加在开挖面上；

15、s25，第n+1环开挖，钝化第n+1环的隧道和管片单元以及第n环的掌子面压力，激活第n+1环的等代层单元为盾壳单元，更新第1环的盾壳单元为等代层单元，在第1环等代层单元中施加注浆压力，激活第1环的管片单元，并将掌子面压力施加在开挖面上；

16、s26，按照步骤s25的方式，继续进行盾构掘进直至第n+m环开挖，钝化第n+m环的隧道和管片单元以及第n+m-1环的掌子面压力，激活第n+m环的等代层单元为盾壳单元，更新第m环的盾壳单元为等代层单元，在第m环等代层单元中施加注浆压力，激活第m环的管片单元，并将掌子面压力施加在开挖面上；

17、s27，第n+m+1环开挖，钝化第n+m+1环的隧道和管片单元以及第n+m环的掌子面压力，激活第n+m+1环的等代层单元为盾壳单元，更新第m+1环的盾壳单元为等代层单元，在第m+1环等代层单元中施加注浆压力，钝化第1环等代层单元中注浆压力，激活第m+1环的管片单元，更新第1环的等代层单元为管片单位，并将掌子面压力施加在开挖面上；

18、s28，随着盾构掘进，按照步骤s27的方式，对不同部位的隧道、管片、等代层以及掌子面压力的属性进行钝化或激活，直至掘进段均完成掘进施工。

19、优选的，步骤s3中，地层材料抗剪强度包括内摩擦角和粘聚力，分别得到内摩擦角与微结构张量之间的函数关系式以及粘聚力与微结构张量之间的函数关系式，即得到内摩擦角和粘聚力的各向异性表达式，如下所示：

20、

21、

22、式中，c表示粘聚力，c0表示平均粘聚力；表示内摩擦角，表示平均内摩擦角，a1、a2为表征岩体各向异性程度的参数，b1、b2为系数，β为层状地层材料各向异性结构面的倾角。

23、优选的，步骤s3中，地层材料抗剪强度包括内摩擦角和粘聚力，分别得到内摩擦角与微结构张量之间的函数关系式以及粘聚力与微结构张量之间的函数关系式，即得到内摩擦角和粘聚力的各向异性表达式，具体包括以下步骤：

24、s31，采用微结构张量对各向异性岩体屈服准则进行描述，表达式为：

25、f＝f(σij,aij)＝f(trσ,trσ2,trσ3,η)＝0；

26、式中，f为应力，σij为应力张量，aij为微结构张量的偏量，trσ、trσ2、trσ3是应力张量的3个不变量；i、j分别是张量矩阵的行与列；

27、η为各向异性参数，表示微结构张量在加载方向l上的投影，η的表达式为：

28、

29、式中，a1、a2均为系数；

30、li、li均为广义加载方向，其中，li的表达式为：

31、

32、式中，函数tr(·)表示对应张量矩阵对角元素之和；表示两个向量的并矢积；n(i)(i＝1,2,3)为二阶张量；ei(i＝1,2,3)表示微结构张量的主3价基，为一阶张量；σ2＝σ·σ表示应力张量的点乘；lj的表达式与li相同；

33、假定地层材料抗剪强度均与地层结构面即各向异性结构面有关，利用粘聚力和内摩擦角分别与微结构张量之间的函数关系式，来表征地层材料抗剪强度各向异性特征，且只考虑微结构张量二次项的影响，得到粘聚力和内摩擦角分别与微结构张量之间的函数关系式分别为：

34、

35、

36、式中，c表示粘聚力，c0表示平均粘聚力，aij为微结构张量的偏量，a1、a2为表征岩体各向异性程度的参数，b1、b2为系数；表示内摩擦角，表示平均内摩擦角；

37、s32，若地层仅含一组各向异性结构面，即层状地层材料，则粘聚力和内摩擦角与微结构张量之间的函数关系式分别为：

38、

39、

40、

41、式中，n为各向异性结构面的单位法向量，σ2＝σ·σ表示两个应力张量的点乘积；

42、s33，通过三轴压缩试验与单轴压缩试验获取地层材料抗剪强度，对于层状地层材料，粘聚力和内摩擦角与微结构张量之间的函数关系式具体如下所示：

43、层状地层材料在三轴压缩试验情况下，围压σx＝σy≠0，粘聚力和内摩擦角与微结构张量之间的函数关系式分别为：

44、

45、

46、

47、式中，β为层状地层材料各向异性结构面的倾角，σx、σy、σz分别代表x、y、z方向的应力分量；

48、层状地层材料在单轴压缩试验情况下，围压σx＝σy＝0，粘聚力和内摩擦角与微结构张量之间的函数关系式分别为：

49、

50、

51、优选的，步骤s4中，使用flac3d软件，建立地层材料抗剪强度各向异性模拟的分析方法，开展隧道盾构掘进过程的数值计算，得到盾构掘进地层的沉降值，用于分析隧道盾构掘进过程中地层材料抗剪强度各向异性对地表沉降、塑性区分布范围的影响，研究盾构掘进对地层的扰动程度，具体如下所示：

52、s41，使用import导入隧道三维有限元计算模型，通过自定义函数的方式，赋予各个地层材料参数，包括粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、容重、体积模量与切变模量；

53、s42，对隧道三维有限元计算模型进行初始边界条件的设置，在flac3d中使用fix命令将隧道边界固定，根据隧道盾构工程的实际情况进行初始应力计算，根据隧道应力分布特点，选择重力场作为模型的应力场条件；

54、s43，通过fish语言自定义函数，在flac3d软件的每个计算步中通过loop命令循环读取各个单元的应力张量数值，根据地层材料抗剪强度的各向异性表达式，实时更新各个地层单元的抗剪强度，直至计算结束；

55、s44，根据隧道三维有限元计算模型，对盾构掘进全过程进行数值计算，通过读取flac3d软件的计算结果文件，获得盾构掘进地层的沉降值、塑性区范围。

56、优选的，所述地层材料抗剪强度各向异性受与地层结构相关的微结构张量aij和广义加载方向的应力张量σ影响，所述地层材料抗剪强度包括粘聚力c与内摩擦角

57、本发明的优点在于：

58、(1)由于隧道围岩具有非均质、非线性、非连续等特点，考虑地层材料的各向异性因素可以更为精准地模拟盾构掘进过程中的地表沉降和塑性区的产生，弥补了以往盾构掘进相关模拟通常只考虑地层各向同性带来的缺点。

59、(2)在隧道工程的盾构掘进数值模拟考虑地层各向异性的精细化建模，将对优化隧道工程数值模拟的精准性具有重要作用，可以为工程实际提供更好的指导。

60、(3)将盾构掘进的盾壳推进、管片安装、盾尾注浆等过程按照环数推进的步骤精细化模拟，可以较好地复现掘进全过程，揭示隧道盾构掘进过程对地表沉降的影响。