盾构法隧道施工仿真系统设计与应用

论文摘要

盾构法隧道施工由于不影响地面交通,对周围建筑影响较小,施工速度快等特点广泛运用于隧道施工工程中。然而盾构机掘进不可避免地会对周围土层产生扰动,从而引起地面沉降。因此,研究大型盾构机掘进对周围环境的影响规律对保障隧道施工安全具有重要意义。本文基于弹塑性力学模型,利用FEPG(Finite Element Program Generator)系统生成了关于弹塑性问题的有限元计算程序。为了数值仿真盾构法隧道施工过程,采用刚度迁移法并综合考虑了盾构施工中开挖面泥水压力、开挖面荷载释放、注浆力学性质变化、注浆压力、盾构机身坡度等要素,对所生成的弹塑性问题有限元计算程序的源码进行了开发,编写了专用于盾构法隧道施工数值仿真的有限元计算程序。在此基础上,本文利用GID提供的用户定制功能和脚本语言TCL/TK开发了专用于盾构施工仿真的前后处理接口程序,通过友好的用户向导界面,将复杂的盾构施工仿真过程简化成一步步参数设置过程,用户根据向导的提示便可方便的完成盾构施工的有限元计算模型的建立,包括有限元网格的自动生成,边界条件和载荷的自动加载等前处理工作,以及地表沉降曲线生成和开挖面稳定性分析等后处理工作。最后,本文针对上海崇明越江隧道泥水盾构施工进行了数值仿真,仿真结果与实测数据较为吻合,验证了本文所建立的数值仿真模型是合理的。在此基础上,对影响地表沉降的主要因素进行了分析,如开挖面泥水压力、注浆压力、覆土厚度等等。并考虑到实际土层力学参数的非均匀性对盾构施工中地表沉降有着重要影响,本文通过根据给定的统计规则来确定不同单元格中的力学参数,建立了三维非均匀土层有限元模型,给出了土层非均匀性对地表沉降的影响分析。通过三维可视化数值仿真与分析,可以分析预测盾构施工中发生地表沉降过大、开挖面不稳定等施工事故的可能性,可对施工参数进行优化,以实现施工参数的最优匹配,提高隧道施工的安全。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 盾构法隧道施工的研究方法
• 1.2.2 经验法
• 1.2.3 解析法
• 1.2.4 模型试验法
• 1.2.5 数值仿真法
• 1.3 本文研究的内容和方法
• 第二章 盾构法隧道施工仿真的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 有限元基本理论
• 2.2.1 偏微分方程的等效积分形式
• 2.2.2 等效积分形式和弱解形式
• 2.3 盾构施工仿真的力学模型
• 2.4 弹塑性力学模型的求解方法
• 2.5 FEPG简介
• 2.6 用FEPG有限元语言来描述弹塑性力学问题
• 2.7 本章小结
• 第三章 盾构法隧道施工仿真系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 盾构法隧道施工简介
• 3.3 盾构法隧道施工过程的数值仿真设计
• 3.3.1 初始地应力
• 3.3.2 土体材料模型
• 3.3.3 杀死土体单元
• 3.3.4 开挖面泥水压力
• 3.3.5 开挖面荷载释放
• 3.3.6 注浆力学性质变化
• 3.3.7 盾构机身的坡度
• 3.4 盾构法隧道施工仿真系统的前后处理设计
• 3.4.1 GID前后处理简介
• 3.4.2 TCL/TK开发简介
• 3.4.3 用TCL/TK开发盾构施工仿真的前后处理接口
• 3.5 盾构法隧道施工仿真系统用户界面设计
• 3.5.1 前处理界面设计
• 3.5.2 后处理界面设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 盾构法隧道施工仿真系统的工程运用
• 4.1 引言
• 4.2 盾构法隧道施工的计算模型
• 4.3 结果分析与实测验证
• 4.4 地表沉降影响因素分析
• 4.4.1 开挖面泥水压力的影响
• 4.4.2 盾尾同步注浆压力的影响
• 4.4.3 覆土层厚度的影响
• 4.5 土层非均匀性对地表沉降的影响
• 4.5.1 蒙特卡罗方法与随机数
• 4.5.2 伪随机数序列
• 4.5.3 均匀分布随机数的产生
• 4.5.4 反函数法
• 4.5.5 舍选法
• 4.5.6 正态分布随机数的产生
• 4.5.7 土层非均性对地表沉降的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文