1、地下工程數(shù)值方法讀書報告專業(yè)：地下工程姓名：張恒學(xué)號：09017011地下工程數(shù)值方法探討（張恒09017011）摘要：巖體工程中的巖土力學(xué)數(shù)值分析方法得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的數(shù)值分析方法。歸納和總結(jié)了前人關(guān)于數(shù)值分析方法的研究成果，對各種方法的研究現(xiàn)狀和最新進展進行評述，并作了巖體工程問題的現(xiàn)代數(shù)值分析方法總的概論，最后提出了解決問題的思路、方法和建議。關(guān)鍵字：地下工程，數(shù)值方法，數(shù)值模擬1引言數(shù)值模擬是解決巖土工程問題的有效手段，它已越來越多地應(yīng)用于巖土體穩(wěn)定性、巖土工程設(shè)計和巖土工程基本問題分析中。為了獲得巖土工程的設(shè)計參數(shù)或?qū)r體力學(xué)狀態(tài)的評估，比較有效的方法有類比法、解析法、

2、現(xiàn)場測試法、物理模擬法和數(shù)值模擬法。類比法適用于有歷史經(jīng)驗記錄的類似現(xiàn)場，而對歷史經(jīng)驗較少的現(xiàn)場，它得到的結(jié)論是不可靠的，甚至是錯誤的；現(xiàn)場測試工作往往只能在一個很小的范圍內(nèi)進行，很難以小范圍的測試代表復(fù)雜的大范圍的工程巖土體；解析法只能在簡化的前提下，給出一些最簡單問題的解，它對復(fù)雜介質(zhì)、復(fù)雜邊界或動態(tài)問題，常常無能為力。因此，數(shù)值方法的出現(xiàn)和不斷發(fā)展是一種必然。巖土體不同于一般固體力學(xué)研究的對象，有限單元法、邊界單元法、有限差分法等均能成功地應(yīng)用于均質(zhì)（或較均質(zhì)）、物理力學(xué)性質(zhì)清楚的材料（如金屬）的力學(xué)分析，也能夠較成功地分析較均質(zhì)的巖土體的應(yīng)力應(yīng)變問題。數(shù)值方法甚至通過方法本身的發(fā)展，如

3、引入節(jié)理單元、增強非線性分析能力等手段，可分析含不連續(xù)界面和多介質(zhì)的較復(fù)雜的巖土體的力學(xué)行為。但隨著巖土力學(xué)學(xué)科的發(fā)展和人們對巖土體科學(xué)認識的進一步深化，僅依靠固體力學(xué)中常用的數(shù)值分析方法已不能滿足巖土力學(xué)數(shù)值分析的要求。顯然，巖土力學(xué)的數(shù)值模擬問題比其它工程力學(xué)問題復(fù)雜得多，迫切需要建立更加簡潔有效的新的數(shù)值方法。正因為上述原因，巖土力學(xué)數(shù)值方法的研究一直是巖土力學(xué)學(xué)科中被關(guān)注的熱點，近年來相繼出現(xiàn)了一系列新的數(shù)值方法，如有限元中的節(jié)理單元法（jointelement，JE）、離散單元法（discreteelementmethod，DEM）、塊體理論（blocktheory，BT）、不連續(xù)變

4、形分析（discontinuousdeformationanalysis，DDA）、快速拉格朗日法(fastLagrangiananalysisofcontinuaFLAC)、靜力同步松弛離散單元法(或叫塊體彈簧元法，BSM)、無網(wǎng)絡(luò)伽遼金法(elementfreeGalerkinmethod,EFGM)以及數(shù)值流形法(manifoldmethod,MM)。這些方法對解決巖土工程問題十分有效，它們的提出和發(fā)展是力學(xué)學(xué)科和計算機學(xué)科在巖土力學(xué)領(lǐng)域中交叉結(jié)合的產(chǎn)物16。2數(shù)值分析方法綜述2.1連續(xù)變形數(shù)值分析方法這類方法主要包括有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)、無限元法

5、(IEM)等，其中以有限元法應(yīng)用最為廣泛，此類方法主要針對巖土介質(zhì)的連續(xù)小變形和小位移特性進行分析。有限元法在連續(xù)性分析方面取得了很大的成功，但在解決前處理問題、應(yīng)力與應(yīng)變解答不連續(xù)問題和進行任意路徑開裂計算等方面還存在著一些局限。為了充分考慮巖土介質(zhì)的非連續(xù)性、非均勻性和多相性等物理特性，必須對這些連續(xù)變形分析方法，特別是有限單元法進行深入的改進和發(fā)展。以連續(xù)介質(zhì)變形分析為目的的拉格朗日元法(LEM)在實際工程中也得到了較好的應(yīng)用。拉格朗日元法運用流體力學(xué)中跟蹤質(zhì)點運動的物質(zhì)描述方法，即拉格朗日托帶坐標系方法，利用差分格式，按顯示時步積分方法進行迭代求解，根據(jù)構(gòu)形的變化不斷更新坐標系，以此模

6、擬巖土介質(zhì)的有限變形和大位移行為。基于拉格朗日元理論，美國的ITASCA咨詢集團于1986年編寫的專用程序FLAC現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡、基礎(chǔ)、壩體、隧道、地下采場和洞室等巖土工程分析中。拉格朗日元法可以同時考慮巖土體的材料非線性和幾何非線性，并能跟蹤物體變形的全過程，適于分析巖土力學(xué)中的大變形問題。這種方法避免了有限元法進行大型矩陣的復(fù)雜計算，但時間步長的選擇成了一個新的突出問題，時間步長過大會導(dǎo)致解答的不穩(wěn)定，時間步長太小則會使計算時間過長8。2.2非連續(xù)變形數(shù)值分析方法1988年，石根華發(fā)表了博士學(xué)位論文“Discon-tinuousDeformationAnalysis：ANewNumer

7、icaModelfortheStaticandDynamicsofB1ockSys-tems”，這標志著塊體系統(tǒng)非連續(xù)變形分析方法(DDA)的誕生。該方法得到了國際認可，受到了美國巖石力學(xué)權(quán)威學(xué)者Cook，Goodman，Desai和Zaman的極力推崇。DDA數(shù)值分析方法是基于巖土介質(zhì)非連續(xù)性提出的分析塊體系統(tǒng)運動和變形的一種新的數(shù)值分析方法。DDA理論的基本內(nèi)容是：以自然存在的巖土被節(jié)理面或斷層面等結(jié)構(gòu)面切割形成不同的塊體單元，塊體的運動和變形由剛體位移、轉(zhuǎn)動、正應(yīng)變和剪應(yīng)變組成；非連續(xù)變形分析以各個塊體的位移為未知量，通過塊體的接觸和幾何約束形成一個塊體系統(tǒng)，塊體單元受非連續(xù)面的控制，在

8、塊體運動的過程中單元之間可以接觸也可以分離，在塊體運動過程中，滿足塊體之間不侵入和不承受拉伸力的條件；總體平衡方程由系統(tǒng)的最小勢能原理求得，求解方程組就可得到當前時步的位移場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和塊體間的作用力，反復(fù)形成和求解總體平衡方程式，即可得到多個時步后塊體的變形、位移和應(yīng)力情況，也可求得塊體系統(tǒng)最終達到平衡時應(yīng)力場、位移場以及運動過程中各塊體的相對位置和接觸關(guān)系。在已知塊體系統(tǒng)中知道每個塊體的幾何條件、邊界條件及力學(xué)條件后。就可以采用非連續(xù)變形分析理論計算塊體系統(tǒng)中每個塊體的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，從而確定塊體間相對移動和滑動。因此，DDA法可以模擬出巖石塊體的移動、轉(zhuǎn)動、張開、閉合等全部過程。

9、據(jù)此，可以判斷出巖土的破壞程度、破壞范圍，從而對巖土整體和局部的穩(wěn)定性作出正確評價。數(shù)值流形法數(shù)值流形法是石根華應(yīng)用流形的覆蓋技術(shù)建立的一種把有限元法、非連續(xù)變形分析法和解析法包含在內(nèi)的全新的統(tǒng)一計算方法。它包融了有限元與DDA法，是巖石力學(xué)中一種新的較通用的數(shù)值分析方法。由于流形法可在統(tǒng)一的理論框架下處理連續(xù)與非連續(xù)性變形問題而引起了許多學(xué)者的興趣，成為目前計算巖土力學(xué)的熱門課題。數(shù)值流形法的優(yōu)點主要表現(xiàn)在它具有相對完善的非連續(xù)變形處理功能，可以在統(tǒng)一的數(shù)學(xué)理論框架下同時處理連續(xù)問題與非連續(xù)問題。數(shù)值流形法的重大意義是把連續(xù)和非連續(xù)變形的力學(xué)問題統(tǒng)一起來，指出了一個新的方向，昭示了現(xiàn)代數(shù)學(xué)手

10、段和巖土數(shù)值模擬結(jié)合的必要性。數(shù)值流形法較有限單元法更適于進行開裂模擬，但由于受網(wǎng)格連接與單元劃分的限制，流形法在開裂計算上仍存在一定的困難9。無單元類方法無單元類方法因具有無須單元網(wǎng)格劃分、前后處理簡單、較傳統(tǒng)有限單元法更適合斷裂問題的計算分析等優(yōu)點而受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。無單元類方法在進行裂紋擴展模擬時不再存在傳統(tǒng)有限單元法的重新剖分網(wǎng)格的困難，而僅僅在裂尖局部區(qū)域內(nèi)布置節(jié)點，大大簡化了前處理過程，在剖分策略上，無單元法較傳統(tǒng)的有限單元法更適于斷裂問題的計算分析。對于以無單元伽遼金法(EFGM)為代表的無單元類方法，現(xiàn)有研究成果大多集中在裂紋擴展的模擬方面，在將無單元方法應(yīng)用于巖土力學(xué)的數(shù)

11、值計算方面仍存在很多困難，如非連續(xù)材料插值函數(shù)的構(gòu)造、摩擦接觸問題和多體相互作用問題的處理等還需作進一步研究。3數(shù)值模擬方法選擇現(xiàn)今可用于對巖體工程結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析的數(shù)值方法多種多樣，每一種方法有其針對性和特點，對一個具體的問題用數(shù)值模擬方法進行分析時，應(yīng)選擇一種最適合該問題的方法進行研究。數(shù)值模擬方法的選擇，取決于研究對象即巖體工程結(jié)構(gòu)的巖石力學(xué)性質(zhì)和數(shù)值模擬的目的。嚴格地講，巖石除具有彈性性質(zhì)外，還具有塑性性質(zhì)和粘性性質(zhì)，只不過在特定情況下，某種性質(zhì)占主導(dǎo)地位而已。在巖體工程實踐中，硬巖及應(yīng)力水平不甚高的中硬巖，其力學(xué)性質(zhì)主要呈現(xiàn)為彈性或彈塑性；高應(yīng)力環(huán)境下的軟巖，其力學(xué)性質(zhì)主要呈現(xiàn)為塑性

12、或粘塑性；對于服務(wù)時間較長的地下工程，巖石極軟或軟且應(yīng)力水平很高，則在計算分析中不能忽視巖石的流變性質(zhì)。為了達到了解整個巖體工程系統(tǒng)的應(yīng)力及變形規(guī)律的目的，各種數(shù)值方法均可采用，但以彈、塑性有限單元法或拉格朗日元法最為適宜。這兩種方法的單元劃分靈活，計算所需參數(shù)較少且易獲得，軟件也易于得到，成本較低。局部工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形分析，若巖石中硬以上，則各種方法均可采用；若巖石軟弱，則宜采用能進行大變形分析的拉格朗日元法；若巖體可能發(fā)生非連續(xù)破壞，則宜采用離散單元法、非連續(xù)變形法或流形元法。要實現(xiàn)了解巖體結(jié)構(gòu)的破壞特征及動態(tài)破壞過程的目的，則只能采用離散單元法、非連續(xù)變形法或流形元法，因為這些方法就

13、是針對巖體介質(zhì)的非連續(xù)性而提出的。此外，對于一個具體問題，是進行平面分析或是進行三維分析，也需做出恰當選擇。嚴格地講，所有的問題都是三維的，但如果采用平面分析既能達到目的，計算結(jié)果誤差也不大，為了降低費用和快速方便起見，則以采用平面分析為宜。反之，則應(yīng)采用三維程序代碼進行計算分析。表1給出了幾種數(shù)值模擬方法所依據(jù)的基本原理、求解方式、離散化方法及其適用條件，可供選擇模擬方法時參考。表1幾種數(shù)值模擬方法的對比1016數(shù)值模擬方法基本原理求解方式離散方式適用條件有限單元法最小勢能原理解方程組全區(qū)域劃分單元巖石中硬以上，小變形，巖體不會發(fā)生非連續(xù)性破壞如滑動、轉(zhuǎn)動、分離等邊界單元法Betti互等定理

14、解方程組邊界上劃分單元同上離散單元法牛頓運動定律顯式差分按結(jié)構(gòu)弱面分布特征劃分單元巖石中硬以上，低應(yīng)力水平，大變形，巖體沿弱面發(fā)生非連續(xù)性破壞非連續(xù)變形法最小勢能原理解方程組按主要結(jié)構(gòu)弱面實際情況分割單元大變形，巖體發(fā)生非連續(xù)性破壞數(shù)值流形法最小勢能原理解方程組全區(qū)域劃分單元中硬以上巖體的連續(xù)或不連續(xù)變形拉格朗日元法牛頓運動定律顯式差分全區(qū)域劃分單元巖石軟弱，大變形，巖體的破壞以變形為主4計算結(jié)果分析時注意的問題用數(shù)值模擬方法對地下工程進行巖石力學(xué)分析的目的主要有：研究開挖過程中巖體應(yīng)力及變形變化規(guī)律，開挖對其他重要工程、地表重要構(gòu)筑物的影響及影響程度，開挖引起地表沉降的規(guī)律，巖體加固的作用和

15、作用機理等；根據(jù)計算獲得的巖體應(yīng)力大小及分布狀態(tài)，判斷圍巖及重要工程構(gòu)元的穩(wěn)定狀態(tài)或破壞情況；依據(jù)巖體應(yīng)力分布狀態(tài)和破壞情況，進行開挖方案比較，優(yōu)化開挖工藝和工程結(jié)構(gòu)參數(shù)及支護參數(shù)等。支護對巖體的加固作用和作用機理可以通過分析加固前后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)變化、關(guān)鍵部位應(yīng)力及變形大小的變化來表示。例如用錨桿加固后，原來巖體中的拉應(yīng)力區(qū)或塑性破壞區(qū)減小或完全消失，或者拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，頂板沉降顯著減小，則說明錨桿加固發(fā)揮了應(yīng)有作用。如將巖體看作彈性材料進行分析，則有限元或拉格朗日元法計算結(jié)果并不能直接給出巖體的穩(wěn)定狀態(tài)和破壞情況，在此情況下，一方面要看圍巖體中是否存在拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小是否達到或超過巖

16、體的抗拉強度，如是則表明巖體發(fā)生破壞；另一方面，對關(guān)鍵部位或工程結(jié)構(gòu)構(gòu)元的壓應(yīng)力區(qū)用恰當?shù)钠茐臏蕜t(如Hoek-Brown破壞準則、Griffith破壞準則等)判斷其是否發(fā)生破壞。作彈塑性分析時，有的應(yīng)用軟件還能給出巖體的塑性破壞區(qū)域，但值得注意的是，巖體發(fā)生塑性破壞，并不一定意味著工程結(jié)構(gòu)構(gòu)元完全失去效用。用離散單元法進行分析時，除作上述分析外，還可依據(jù)巖體沿節(jié)理裂隙滑動、開裂和冒落情況進行分析。用數(shù)值模擬的計算結(jié)果進行方案比較，是數(shù)值模擬方法最擅長的方面。通常是比較方案之間的若干參考量來選擇最優(yōu)或較優(yōu)方案，這些參考量包括：巖體中重要部位的拉應(yīng)力區(qū)及拉應(yīng)力大小;巖體破壞區(qū)大小;關(guān)鍵部位的變形

17、量;關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布狀態(tài)。在工程量和施工成本基本相同的條件下，巖體中拉應(yīng)力區(qū)及拉應(yīng)力越小，巖體破壞區(qū)越小，巖體變形量越小，應(yīng)力分布狀態(tài)越有利于巖體穩(wěn)定，則方案越優(yōu)。方案之間參考量矛盾時，需進行綜合分析確定最優(yōu)方案。6結(jié)語數(shù)值分析法在巖體力學(xué)中的應(yīng)用越來越廣，各種方法互有長短，且本身也處在不斷的發(fā)展之中。隨著巖土工程領(lǐng)域的不斷擴展與延伸，數(shù)值分析法也得到了長足的發(fā)展，分析模式不斷改進，分析精度不斷提高。巖土工程材料是一種復(fù)雜的地質(zhì)材料，具有高度非連續(xù)性、非均勻性以及各向異性等地質(zhì)特點，在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出強烈的非線性、非彈性等力學(xué)行為。因此，只有不斷改進數(shù)值分析的思路與方法，使其能更好地模擬實際

18、巖土材料的工程力學(xué)性質(zhì)，才能更好地指導(dǎo)巖土工程實踐。對于實際的巖體工程問題，我們應(yīng)根據(jù)研究問題的性質(zhì)、程度、時效、經(jīng)濟合理等諸多因素選定一種或數(shù)種方法。計算機技術(shù)和數(shù)值方法是解決巖體力學(xué)與工程問題的工具，對巖土介質(zhì)性質(zhì)以及加載后力學(xué)行為和參數(shù)的正確認識是巖土工作者的艱巨任務(wù)。參考文獻：陶振字試論巖石力學(xué)的最新進展J.力學(xué)進展，1992,22(2):161-172.常士驃我國巖士工程回顧與展望J.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1993,20(1)：23-26.哈秋聆三峽工程中的若干力學(xué)問題J.力學(xué)進展，1994,24(4)：433-439.楊志法關(guān)于巖石力學(xué)當前發(fā)展戰(zhàn)略的一些看法J.巖土工程學(xué)報，1994,

19、16(1)：112-113.謝和平，劉夕才，王金安關(guān)于21世紀巖石力學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略的思考J.巖土工程學(xué)報，1996，18(4)：98-102.傅冰駿.國際巖石力學(xué)發(fā)展動向J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1997,16(2):195-196.CoetzeeMJ.FLACbasicsZ.ItascaConsultingGroupInc.1993.朱濟祥，薛璽成巖體工程問題的數(shù)值分析方法J.水利水電工程設(shè)計，1995，(1)：36-40.孔德森，欒茂田巖土力學(xué)數(shù)值分析方法研究J.巖土工程技術(shù)，2005,19(5):249-253.王泳嘉拉格朗日元法及其在錨固工程中的應(yīng)用C.錨固與灌漿技術(shù)國際學(xué)術(shù)討論會論文集，廣

20、州：1994,177-183.E霍克，MW格拉賓斯基，MS迪德里克斯.數(shù)值模擬在地下采掘設(shè)計中的應(yīng)用J.國外金屬礦山，1992(11)：61-66.王泳嘉，馮夏庭.關(guān)于計算巖石力學(xué)發(fā)展的幾點思考J.巖土工程學(xué)報，1996,18(4):103-104.周維垣.巖石力學(xué)數(shù)值方法的現(xiàn)狀與展望J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1993,12(1):84-88.朱愛軍，鄧安福，曾祥勇數(shù)值流形方法對巖土工程開挖卸荷問題的模擬J.巖土力學(xué),2006，27(2)：179-183.段文峰，王蕾笑，廖雄華巖土工程施工力學(xué)問題數(shù)值模擬方法探討J.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2003，20(2)：16-22.附件盾構(gòu)法施工對地表及橋

21、梁樁基的數(shù)值模擬分析（自己計算的一個實例）1引言隨著隧道施工技術(shù)的不斷完善,盾構(gòu)隧道法愈來愈成為軟弱巖土層或繁忙鬧市地區(qū)地下工程施工的主要施工方法。但無論盾構(gòu)隧道施工技術(shù)如何改進，盾構(gòu)推進對周圍土體的擾動影響仍是不可避免的。如何預(yù)測盾構(gòu)穿越所引起的地層位移，確保已有建（構(gòu)）筑物正常使用和盾構(gòu)的順利掘進，是盾構(gòu)隧道設(shè)計與施工中非常關(guān)鍵的問題1,2有限差分法由于具有能夠適應(yīng)復(fù)雜邊界、非均質(zhì)、非線性本構(gòu)模型，分析結(jié)果全面詳細等優(yōu)點，被廣泛運用于盾構(gòu)隧道施工環(huán)境影響的模擬中。本文以深圳地鐵5號線洪浪興東盾構(gòu)區(qū)間下穿廣深高速公路立交橋隧道施工為工程依托，運用有限差分程序FLAC3D模擬盾構(gòu)隧道開挖的全過

22、程，對施工產(chǎn)生的地表沉降及橋梁樁基的側(cè)向變形進行了預(yù)測分析。2工程概況廣深高速公路在K100+220處與深圳地鐵5號線相交，相交處為廣深高速立交橋，該橋為雙墩三跨橋，中跨16m，邊跨16.02m，采用1200鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁底為中風化巖層。橋臺下樁基底高程為-6.247，橋墩下樁基底高程為T0.247盾構(gòu)于興東站始發(fā)，在DK7+149處穿越廣深高速立交橋。廣深高速立交橋為樁基礎(chǔ)，線路自橋跨間通過，隧道外輪廓距離樁邊緣1.6m以上。隧道洞身與樁基礎(chǔ)位置關(guān)系如圖1和圖2所示。本段隧道通過礫質(zhì)粘性土，地層厚度為10m，主要由花崗巖風化殘積組成，含約20-25%的石英質(zhì)礫石。上層覆約2m素填土，向下

23、依次為軟土層、粉質(zhì)粘土、礫砂層，下臥全風化和中風化花崗巖。根據(jù)詳勘揭露盾構(gòu)隧道穿越廣深立交橋地段時左線隧道穿過礫質(zhì)粘性土土體。右線隧道上斷面一小部分斷面穿過礫質(zhì)粘性土土體,其余斷面穿過全風化花崗巖土體。2021*_性9*10圖1廣深立交橋與線路平面位置關(guān)系圖圖2隧道洞身與樁基礎(chǔ)位置關(guān)系3盾構(gòu)施工數(shù)值模擬分析3.1材料性態(tài)模擬（1）土體材料目前，在土工計算中廣泛采用的各向同性模型有兩大類，一類是彈性非線性模型，另一類是彈塑性模型，兩者都反映了土的非線性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系特性。本文土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準則為直線性Mohr-Coulomb準則。盾殼和襯砌材料盾殼和襯砌單元在模擬過程中都看作是彈性

24、材料。由于盾構(gòu)的中體的內(nèi)部焊接有加強環(huán)和H架，具有很高的強度和剛度，在實際生產(chǎn)過程中盾殼的變形是非常小的，所以在模擬過程中把盾殼當作剛體來看待，具體通過提高盾殼的厚度和彈性模量來實現(xiàn)。管片采用C50鋼筋混凝土，彈性模量為35GPa。間隙單元在盾構(gòu)的推進過程中，為了能使盾體順利通過，刀盤的直徑要大于盾體的直徑，以及盾構(gòu)在推進過程中轉(zhuǎn)彎及其他施工因素會在土體與盾體之間形成一個環(huán)狀的空隙。本文采用低模量的材料來模擬，一般取盾體周圍土體材料模量的0.1%3。注漿材料注漿材料的強度會隨著時間的推移而增加，為了模擬注漿材料在不同階段的力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)注漿材料的實際凝固過程，分為兩種，(1)液體注漿材料，將其

25、視為有內(nèi)壓的低剛度材料，彈性模量等于注漿壓力；(2)長期固化注漿材料，其彈性模量取400Mpa3。3.2盾構(gòu)推進過程模擬國內(nèi)外有些研究者八在用FLAC3D模擬盾構(gòu)開挖過程時，使用殼單元模擬盾體的受力和變形情況。但是由于FLAC3D中的殼單元是由一系列的三個節(jié)點有限元組成，它適合于模擬法線方向位移可以忽略的薄殼結(jié)構(gòu)，厚的殼狀結(jié)構(gòu)適合于用實體單元模擬譏而盾構(gòu)機的盾殼內(nèi)焊有加強環(huán)和H架，因此盾構(gòu)機的盾殼相當于一個厚的殼狀結(jié)構(gòu)，在施工過程中盾體的變形非常小，近似于剛體。本文在模擬過程中用大于盾殼的彈性模量和厚度的實體單元來模擬盾殼的受力和變形。具體的做法是，在盾體通過時給數(shù)值模型中的注漿體單元賦予盾殼

26、的屬性，因此，在這一階段盾殼的厚度相當于注漿體的厚度。第一階段，由于模擬過程中盾構(gòu)機是一步一步地跳躍式前進，因此，這一階段的一個模擬循環(huán)為：一、首先開挖一段長度為一個襯砌單元長度的土體隧道；二、給間隙單元和盾殼單元賦屬性；三、給開挖面施加一個法向的壓力(即土倉壓力)；四、進行模型的力學(xué)平衡計算。然后進入下一個循環(huán)，一直到整個盾體都進入土體3,這個長度為7500mm。第二階段，盾體繼續(xù)向前推進一個襯砌環(huán)的長度，這一新推進的長度的賦值過程如第一階段;然后把盾殼最后一段長度等于一個襯砌環(huán)的注漿體單元和襯砌單元材料屬性分別賦予注漿材料初期的屬性和襯砌單元的屬性，并給盾體周圍的土體施加一個向外的徑向應(yīng)力

27、，應(yīng)力值為注漿壓力，如圖3所示。為了在一定程度上反映注漿材料的凝固過程，本文設(shè)定注漿材料初期的屬性延續(xù)三環(huán)管片長度的隧道施工模擬的計算時間。圖3盾體周圍注漿壓力的施加圖甲妳制二_VOUIXsi旦歐歐住丄門菠廉奉奉菠掘k眾、技甥菱気呦蠱蠱ociiii-SA圖4盾構(gòu)推進過程模擬圖第三階段，第一步和第二步循環(huán)進行，直到盾構(gòu)掘進到第九環(huán)管片位置時，第一環(huán)管片位置的注漿材料的屬性改為注漿材料的最終屬性，并同時去掉施加于盾體周圍土體的徑向應(yīng)力，這時，地層的應(yīng)力完全由隧道的管片襯砌承受，如圖4所示。整個盾構(gòu)隧道推進的模擬過程不斷循環(huán)進行，直到地表沉降值趨于穩(wěn)定33.3實體模型建立計算模型豎向深40m,寬65

28、m,沿隧道縱向長60m,計算模型網(wǎng)格為147518個單元，155568個節(jié)點，如圖5所示。圖5三維計算模型圖圖6盾構(gòu)隧道與橋梁樁基的位置關(guān)系圖盾構(gòu)機長7.5m，盾構(gòu)外徑6.24m，管片寬l.5m，厚300mm，盾尾空隙厚75mm，后構(gòu)刀盤外徑比盾構(gòu)殼外徑大2cm。計算中采用的施工參數(shù)如下：盾構(gòu)推進初始端面Y=-43.5m,推進步長dz=l.5m。模型中的各種材料的力學(xué)參數(shù)見表1。表1各種材料的力學(xué)參數(shù)表土層密度(kgm3)C(KPa)()泊松比彈性模量(MPa)素填土Qml230018140.428粉質(zhì)粘土Qal+pl420003050.3818礫質(zhì)粘土Qel181031220.3333全風化

29、花崗巖Y35177045260.3180中風化混合巖Y3525701500350.288000盾構(gòu)鋼殼7850/0.3210000管片2500/0.1731500液態(tài)注漿體1700/0.480.25固態(tài)注漿體2100/0.2400間隙單元15100.0011100.480.0334數(shù)值模擬計算結(jié)果分析4.1盾構(gòu)推進過程計算結(jié)果分析盾構(gòu)機經(jīng)過40個推進步，從Y=-43.5m推進到Y(jié)=16.5m,開挖后的豎向土體位移云圖如圖7圖10所示，從圖中可以得到以下規(guī)律：SP(mm)5.734.513.302.080.87-0.35-1.56-2.78-3.99-5.21-6.42-7.63-8.85-10

30、.07-11.28Z.L-圖7盾構(gòu)推進15m時隧道縱向位移云圖fP(mm)6.705.313.912.521.13-0.26-1.66-3.05-4.44-5.84-7.23-8.62-10.01-11.41-12.80:Y圖9盾構(gòu)推進45m時隧道縱向位移云圖HISP(mm)6.985.514.042.571.10-0.37-1.84-3.31-4.79-6.26-7.73-9.20-10.67-12.14-13.616.104.793.492.180.87-0.44-1.74-3.05-4.36-5.66-6.97-8.28-9.59-10.89-12.20Y圖8盾構(gòu)推進30m時隧道縱向位移

31、云圖圖10盾構(gòu)推進60m時隧道縱向位移云圖隨著盾構(gòu)隧道的不斷推進，周圍土體位移場的范圍在不斷擴大；盾構(gòu)隧道上方的土體產(chǎn)生沉降，盾構(gòu)隧道下方的土體由于土體的開挖卸荷而隆起，切口前方土體的位移很小。沿隧道軸線方向不同位置隧道周圍土體的水平和豎向位移變化很大，盾構(gòu)施工過程中土體位移具有明顯的三維特征。隨著盾構(gòu)的推進，豎向沉降最大值也逐漸增加，沉降增量在盾構(gòu)推近直至推過這段距離間呈現(xiàn)先增加后減少的特點。其次，隨著開挖的進行，每一沉降最大值區(qū)間在豎向位移圖上的區(qū)域不斷的減少，而且越來越向開挖面靠近，并且這個最大值區(qū)間在開挖過后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。再有，豎向位移在水平方向從隧道軸線位置到遠離隧道軸線位置不斷減少

32、，類似于Peck曲線，在豎向從上至下呈現(xiàn)由小變大的特點。4.2盾構(gòu)施工對臨近樁基的影響分析隧道施工引起的樁基周圍土體位移和附加應(yīng)力會引起樁基的附加變形和內(nèi)力，樁基周圍土體的沉降對樁基產(chǎn)生拖曳作用引起樁基沉降，降低其承載力。由于盾構(gòu)隧道處于較軟的地層中，埋深較淺，初始應(yīng)力場以自重應(yīng)力場為主，在外部荷載作用下，管片襯砌的頂部和底部將向內(nèi)變形，左側(cè)和右側(cè)將向外變形，同時由于盾尾注漿壓力的作用，隧道兩側(cè)的土體將向遠離隧道的方向移動，從而引起樁基下半部分發(fā)生向遠離隧道的方向的側(cè)移；另一方面，隧道開挖引起的地層損失將引起隧道上覆土體向隧道內(nèi)移動，土體的移動將帶動樁基上半部分發(fā)生向隧道方向的側(cè)移，移動方向與

33、下半部分相反，如圖11和圖12所示。從圖13可以看出，盾構(gòu)左線作為后開挖隧道對2號橋墩上的樁基側(cè)向變形影響很小，但是對1號橋墩上的樁基側(cè)向變形影響很大。從圖14可以看出，盾構(gòu)右線開挖完成后，1號橋墩上的樁基向遠離右線隧道方向的最大側(cè)向位移到達2.68mm，但是左線盾構(gòu)隧道開挖完成后，1號橋墩上的樁基又向遠離左線隧道方向移動，最大側(cè)向位移為-1.68mm，這是由于左線盾構(gòu)隧道離2號橋墩距離僅為1.6m造成的，可見隧道開挖離樁基越近對樁基的影響ZZ也越大。XDHf(mm)2.622.231.841.451.070.680.29-0.10-0.49-0.88-1.26-1.651-2.04-2.43

34、XXDISP(mm)YY2.682.281.881.481.080.680.28-0.11-0.51-0.91-1.31-1.71-2.11乙2.51II!圖11盾構(gòu)右線掘進20環(huán)時樁基X方向X立移云圖XDISP(mm)1.691.361.030.700.380.050.280.610.941.271.591.922.252.58LU覆長話圖12盾構(gòu)右線掘進40環(huán)時樁基X方向位移云Y右線開挖40環(huán)樁基1側(cè)向變形雙線開挖完成時樁基1側(cè)向變形Xm圖13盾構(gòu)雙線掘進完成時樁基X方向位移云圖圖14橋梁樁基側(cè)向變形曲線圖4.3地表沉降模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果比較分析模擬過程中將右線DK7+150斷面作為指定監(jiān)測斷面，分析實測結(jié)果與數(shù)值模擬的差異。數(shù)值模擬計算得到的右線DK7+150斷面最大沉降值是6.68mm，最大地表沉降發(fā)生在盾構(gòu)隧道軸線中心上方，如圖15和圖16所示。-7-8m1-里降沉表地-4-6-6-7-30-20-1001020304050測點距開挖面距離/m60m1-里降沉表地右線DK7+150斷面橫冋地表沉降計算值右線DK7+150斷面橫冋地表沉降實測值右線DK7+150縱冋地表沉降計算