盾构施工过程有限元模拟方法对比

2021-11-06 04:00冯兴广
四川水泥 2021年10期
关键词:盾构土体注浆

冯兴广

(广州地铁设计研究院股份有限公司, 广东 广州 510010)

0 引言

盾构隧道施工过程是一个十分复杂的过程,涉及到土体开挖扰动、管片安装、盾尾注浆等工序。有限元方法对复杂施工过程的模拟具有先天的优势,然而不同的盾构工程人员采用不同的模拟方法模拟出的结果可能具有较大的差别。

盾构隧道施工过程数值模拟方法是进行盾构隧道施工过程扰动影响和安全性分析的前提和重要手段之一,国内外研究学者对此进行探讨和研究,得出了应力释放法、位移约束法和考虑多因素的三维模型法等三种常用计算方法,并取得了许多成果。

1 应力释放法和位移约束法

应力释放法和位移约束法本质上属于同一类型的方法,所不同的是应力释放法是将开挖面和开挖位置的原始应力进行折减而实现的,而位移约束法是通过对开挖断面施加强制的直接位移或者间接位移而实现的。

在盾构隧道施工过程模拟应用方面,孙钧[1]引入了位移释放系数来描述隧道开挖面的空间效应;如图1 所示,朱合华[2]分析了盾构施工过程中的施工阶段划分,并且详细给出了在有限元分析中不同施工阶段的应力释放情况和具体的模拟方法;张海波[3]建立了盾构隧道掘进过程有限元计算模型,考虑的因素包括开挖面释放荷载的计算、千斤顶推力的影响、盾构超挖间隙和盾尾空隙的模拟、盾尾注浆的影响、土体与结构之间的接触模拟等因素;H.Mroueh[4]由于盾构隧道数值模拟过程中更为详尽的计算模型需要清楚盾构与土体、注浆以及盾尾间隙扰动之间的相互作用影响,而他们之间的相互作用影响目前还存在极大不确定性,因此使得建立详尽的三维数值模拟模型存在很大的挑战,并提出了一种TBM 掘进三维简化数值模拟模型,该模型中采用限制收敛方法,主要涉及应力释放系数和隧道无支护区域长度两个参数。

图1 盾构隧道施工阶段模拟图

2 三维模型法

在考虑多因素的三维模拟方法应用方面的研究比较广泛,主要采用有限元、离散元和有限差分三种方法。如Thomas Kasper 提出了一种盾构隧道掘进过程模拟的三维有限元分析模型,在该模型中对盾构、土体以及结构的不同模拟单元进行了详细的划分,并针对于一个施工循环内的施工步骤进行了详细阐述,主要考虑了临时建筑间隙、建筑间隙内注浆、盾构机姿态的变化、掌子面支护力的影响和盾构机壳在移动过程中对土体的摩擦作用以及地下水的影响,还考虑拖车荷载的影响,并对每种影响因素的计算方法进行了详细的阐述;而后沈建奇[5]根据刚度迁移法的基本原理,将盾构连续稳态掘进过程离散成逐渐稳态掘进过程,从盾构-土体-地表构筑物三者为一体的相互作用关系出发提出了盾构逐步稳态掘进过程的有限元数值模拟方法,主要考虑了盾构刀盘切削作用、盾构刀盘超挖、机身结构坡度的影响、拖车对衬砌的移动荷载、盾构推进千斤顶的作用、开挖面泥水压力作用、注浆材料液态到固态的时空转化特性以及地下水高水压的作用等因素影响。

在考虑多因素的盾构隧道三维离散元模拟方法研究方面,Manuel J[6]给出了一种采用离散元模拟盾构隧道施工过程的计算模型,分析了大直径盾构隧道掌子面的稳定性,具体对盾构的刀盘的推力和扭矩进行了详细的分析。J.N.Franzius[7]认为隧道施工是一个三维过程,在三维计算过程中为了缩短计算时间,通常将模型的几何尺寸设置为最小,该文献中分析了集合模型的离散对三维计算模型计算结果的影响,研究结果表明:增大隧道开挖增量的长度有助于获得更为合理的计算结果。

在考虑多因素的盾构隧道三维有限差分模拟方法研究方面,Manuel Melis Maynar[8]在FLAC3D 中建立了土压平衡盾构计算模型,分析了盾构掘进过程对地表的扰动影响。李围、何川[9]基于FLAC3D 有限差分平台同样构建了考虑多因素影响的盾构隧道施工过程三维计算模型。崔弈[10]通过对开挖面及隧道周围的土体进行应力释放来模拟隧道的开挖效应,并详细地给出了隧道开挖过程的模拟方法。张利民[11]采用FLAC3D 对盾构隧道的施工过程进行了模拟分析。张国远基于FLAC3D 有限差分平台,建立了考虑应力渗流耦合效应的盾构隧道施工过程模拟方法,并分析了盾构不同掘进阶段对隧道围岩与结构的扰动影响。

此外,王敏强[12]提出了迁移法模拟盾构前行过程,采用权刚度修正Goodman 单元处理单元内存在两种材料的混合接触刚度,并基于工程实例对盾构推进过程进行了仿真计算。如图2 所示,张云[13]提出了等代层的概念来反映盾尾间隙、注浆以及隧道壁面受扰动程度对地表沉降的影响;刘元雪盾构法施工的影响采用等代层外侧土体原位应力卸荷的方法进行模拟,计算荷载为等代层外侧原位应力卸除引起的土体应力的重新分配,等代层与隧道衬砌的自重。张社荣[14]粗略给出了盾构隧道施工的模拟步骤和方法,并考虑了流固耦合的影响。李鹏[15]认为开挖间隙的形成与注浆是同步进行的,因此给出了基于有限元的盾构隧道施工过程模拟分析方法,然而没有考虑水的影响。

图2 盾构推进

3 进一步研究建议

由国内外研究现状分析可知,关于盾构隧道施工过程的数值模拟方法己经取得了较为丰富的成果。但是由于盾构隧道施工过程的复杂性,主要表现为施工期穿越的地层条件不断变化、不同盾构工法的施工扰动影响区别明显,且施工过程中时刻受到地下水渗流的影响,受注浆的影响、因此盾构隧道施工过程的模拟方法有待于进一步的研究。

许多研究成果己表明,地下水渗流对围岩稳定性和结构受力具有重要影响。然而围岩与结构相互作用情况复杂,隧道衬砌承受的作用力取决于支护结构与围岩接触处的排水条件,通常按照完全排水和完全不排水两种情况进行考虑。在完全不排水条件下衬砌结构要承担所有的围岩压力和水压力,忽略了围岩对水压力的承担作用,计算结果较为保守;在完全排水条件下围岩衬砌接触处水压力为零,则此时仅需要承担围岩压力,忽略了地下水渗透力导致围岩变形进而使结构承担附加荷载的影响,计算结果偏于危险。因此开展不同工况条件下的水下盾构隧道施工期渗流影响分析具有工程应用价值和现实意义。

建议后续可以开展如下的研究工作:

(1)在应力释放法中,工程人员对应力释放率的取值并没有形成固定的与施工过程一一对应的标准,导致不同的工程人员采用不同的应力释放率计算得出的隧道施工过程模拟位移云图、应力云图等相差较大。然而工程实际中,对于一特定的工程采用特定的施工方法进行施工,应该得到唯一的结果。这直接导致采用应力释放法进行盾构施工过程的模拟结果信服力大打折扣。建议后续对于应力释放法模拟盾构施工过程的重点研究工作在建立应力释放率与施工过程的一一对应关系,在行业内统一应力释放率的取值标准,提高该方法在模拟盾构施工过程的信服力。

(2)实际工程验算过程中使用位移约束法时,工程设计人员常常需要调整断面收缩率,使有限元计算结果和现场监测结果尽可能的接近。然而此种做法会使有限元数值计算的工程预测性实用价值大打折扣。同样后续急需建立断面收缩率与施工过程的一一对应关系标准。

(3)现有的三维模型模拟方法研究深度仍然较浅。如没有实现隧道施工注浆过程的全流程模拟、没有实现开挖引起回弹的精准模拟。建议后续可以开展隧道施工注浆过程的全流程模拟,通过开发合适的弹塑性本构模型实现回弹的精准模拟。

(4)在多数情况下,隧道施工过程中都涉及到水的问题,对应的是流固耦合问题。如何对该类流固耦合问题进行精细化数值模拟是值得研究的方向。在精细化流固耦合数值模拟的基础上,做适当简化,引入施工过程全流程模拟计算的结果才更具备信服力。

(5)盾构隧道施工过程涉及到隧道盾构管片和地层的相互作用问题,而该类相互作用问题是国际计算力学的重点和研究难点,如果能对相互作用问题进行深入研究,显然对揭示土隧相互作用具有极为重要的现实意义。

4 结束语

采用文献收集对比方法对盾构隧道施工过程常用的三种有限元模拟方法进行了总结对比,研究表明:

(1)应力释放法存在应力释放率取值没有行业统一标准的问题,位移约束法也存在断面收缩率取值没有行业统一标准的问题,这导致两种方法的计算结果较难令人信服。三维模型模拟方法多数较为粗糙,急需精细化模拟手段。

(2)建议后续可以建立与施工过程一一对应的应力释放率取值标准,与施工过程一一对应的断面收缩率取值标准,同时加强盾构施工过程三维精细化模拟。

(3)流固耦合问题和土隧相互作用问题是盾构施工模拟的关键问题,应继续加强这两方面的研究。

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