CN110245426A - 一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，采用有限元方法模拟管廊结构顶管施工的过程，包括以下步骤：确定注浆等代层的相关参数；确定管廊结构顶管施工的载荷和施工参数；确定管廊结构顶推模拟时，各部分采用的本构模型及单元；确定荷载步的设置；建立三维有限元模型，采用有限元分析计算。本发明综合考虑了掘进压力、千斤顶力以及注浆等代层等因素的影响，使有限元模拟过程最大限度的接近实际管廊顶管施工流程，得到了具有工程指导意义的模拟结果。

Description

一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，涉及到数值仿真技术，具体涉及一种用于管 廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法。
背景技术
当今社会，对给排水、电力及燃气管道的维修和检查十分普遍，导致城市路 面反复开挖及回填施工，给人们的生活造成极大不便；为了彻底解决该问题，改 善居民出行条件及生活环境，以集约化的方式为市政管线建设提供可靠的地下空 间，管廊结构应运而生。
国外的综合管廊建设始于19世纪的欧洲，欧洲也是世界上地下空间开发利 用较为发达的地区。早在1833年，法国巴黎就开始系统规划排水网络，同时兴 建综合管廊；1861年，英国在伦敦修建了第一条综合管廊；1890年，德国开始 在汉堡修建地下综合管廊。瑞典斯德哥尔摩地下有超过30公里的综合管廊，因 为其独特的地质条件，管廊大部分建于岩层中，可兼做人防工程使用。进入20 世纪后，美国、西班牙、俄罗斯、日本、匈牙利等国也都开始兴建地下综合管廊。
国内综合管廊建设相对较晚。山西大同自1979年开始在一些新建的道路下 敷设综合管廊。但这些早期的管廊结构相对简单，容量也有限，是管廊的雏形。 1994年底，在上海浦东新区建成了我国第一条大规模的现代化地下综合管廊 ——张杨路地下综合管廊。
管廊结构施工时，不可避免的会出现下穿或者侧穿既有道路、桥梁以及房屋 建筑基础的情况。例如：昆明市哨关路综合管廊顶管下穿沪昆铁路框架涵结构， 武汉市武九北综合管廊顶管下穿和平大道以及和平大道高架桥。管廊结构顶管施 工时，土层应力会出现重分布，会使地表产生变形；当管廊结构周边存在既有构 筑物时，会使其产生附加内力和变形，危及结构安全。因此在管廊顶管施工前， 进行精细化的有限元建模分析，预测管廊顶推施工对既有结构以及地表变形的影 响显得尤为重要。
目前工程上常用的管廊结构顶管施工模拟方法，仅依据单元生死的原理，通 过反复循环杀死开挖土体、激活管廊结构的方式实现。该方法未考虑盾构机掘进 压力、千斤顶力以及注浆等代层的影响，模拟方式过于粗糙，不能反映管廊顶管 施工的真实状态，计算得到的结果不具备参考价值，不能指导工程实际。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种用于管廊结构顶 管施工的有限元精细化模拟方法，其目的在于综合考虑掘进压力、千斤顶力以及 注浆等代层等因素的影响，使有限元模拟过程最大限度的接近实际管廊顶管施工 流程，进而得到具有工程指导意义的模拟结果。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，采用有限元方法模拟 管廊结构顶管施工的过程，包括以下步骤：
步骤一，确定注浆等代层的相关参数；所述注浆等代层为管廊周边注浆后形 成的土、水泥浆以及土与水泥浆的混合物；
步骤二，确定管廊结构顶管施工的载荷和施工参数；
步骤三，确定管廊结构顶推模拟时，各部分采用的本构模型及单元；
步骤四，确定荷载步的设置；模拟时，土体的开挖以及管廊的施工均通过单 元的激活和钝化功能实现；注浆过程通过单元的激活和钝化以及改变单元材料属 性的功能实现；
步骤五，建立三维有限元模型，采用有限元分析计算。
优选地，步骤一中将注浆等代层看作是各向同性的均质弹性体，注浆等代层 的相关参数包括厚度、密度、弹性模量以及泊松比。由于在管廊结构顶管施工过 程中，注浆填充的程度以及管廊结构外侧土体受扰动的程度和范围等因素对地层 位移有着重要的影响，但是在实际工程中难以分别量化；同时管廊周边注浆后， 形成的土、水泥浆以及土与水泥浆的混合物，其组成成分与土体性质以及注浆材 料等因素均有关系，因此在有限元模拟时，将其概化为一均质、等厚、弹性的等 代层，以综合考虑上述各因素对地层位移的影响。
优选地，等代层厚度的计算公式如下：
d＝η(d1+d2)
上式中：d表示等代层厚度，d1表示管廊结构与盾壳的拼装空隙，d2表示 盾壳的钢板厚度，η表示与管廊所处地层土质相关的系数；
等代层的密度、弹性模量以及泊松比的取值如下：
ρ＝1800kg/m3
E＝1.2Mpa
υ＝0.2
其中：ρ表示等代层密度，E表示等代层弹性模量，υ表示等代层泊松比。
等代层是水泥浆与土体的混合体，其密度应介于两者之间，但是4％水泥掺 量的水泥土，其密度常介于1700kg/m3与1900kg/m3之间，与土体常规密度大小 接近，因此等代层密度取1800kg/m3即可。
管廊周边注浆后，等代层区域在短时间内还处于稀泥状态，水泥浆与土体混 合凝结成水泥土，其弹性模量增长至最大值还需要时间；因此仅仅参考水泥土和 原状土体，来确定等代层的弹性模量是不合理的，同时若将等代层弹性模量作为 随时间变化的变量来考虑，会使建模分析过于复杂。这里以实际工程监测得到的 土体沉降数据为依据，利用直接反分析法，得到了等代层的最佳弹性模量取值为 1.2Mpa。
由于等代层的泊松比取值范围不大，同时根据有关研究，其取值对地层变形 的影响有限，可直接参考水泥土的泊松比，取0.2即可。
优选地，η的取值在0.7～2之间，对于硬土层取其下限，对于极软土层取其 上限。
优选地，对于管廊结构处于的不同土层，其η值取为：硬黏土取0.7～0.9；密 砂取0.9～1.3；松砂取1.3～1.8；软黏土取1.8～2.0。
优选地，步骤二中管廊结构顶管施工的载荷和施工参数包括掘进压力P1、千 斤顶力P2以及顶管施工进尺ΔL；其中，P1表示盾构机顶部刀盘切土掘进时，对 掌子面产生的均布面压力；P2表示顶推预制管廊节段时，对管廊横断面产生的均 布线荷载；上述二种荷载均根据具体工程确定；ΔL取实际工程中单节段管廊结 构的宽度ls。
优选地，当模拟的管廊结构顶推段过长时，为提高建模效率，节约计算分析 所需时间，取ΔL＝nls，n为自然数。
优选地，步骤三中进行管廊结构顶推模拟时，包含原状各土层、注浆等代层、 开挖土以及管廊结构4个部分，各部分采用的本构模型及单元如下：
原状各土层：采用摩尔库伦本构模型以及实体单元；
注浆等代层：采用各向同性弹性本构模型以及实体单元；
开挖土：采用摩尔库伦本构模型以及实体单元；
管廊结构：采用各向同性弹性本构模型以及壳单元。
优选地，步骤四中确定荷载步设置时，先根据施工进尺定义若干个网格组、 边界组以及荷载组，具体如下：
按施工进尺将开挖土分为若干网格组：开挖-1、开挖-2、......、开挖-N；
按施工进尺将注浆等代层分为若干网格组：注浆-1、注浆-2、......、注浆-N；
按施工进尺将管廊分为若干网格组：管廊-1、管廊-2、......、管廊-N；
改变注浆等代层材料属性的边界组：土/注浆-1、土/注浆-2、......、土/注浆-N；
划分掘进压力的荷载组：掘进压力-1、掘进压力-2、......、掘进压力-N-1；
划分千斤顶力的荷载组：千斤顶力-1；
其中：单独激活注浆-1网格组时，其材料属性为该位置原状土的特性；同时 激活注浆-1和土/注浆-1时，其材料属性变为注浆后的等代层属性；
假设整个隧道分为N个开挖进尺，那么模拟盾构施工该隧道时，需设置N+2 个荷载步，具体如下：
<1>第1荷载步：激活所有原状地层、开挖土、注浆等代层、位移边界以及 重力，求得模型在重力荷载作用下，有自重应力而无位移的状态；
<2>第2荷载步：钝化开挖-1；激活管廊-1、掘进压力-1以及千斤顶力-1；
<3>第3荷载步：钝化开挖-2、掘进压力-1；激活管廊-2、掘进压力-2、土/ 注浆-1；
<i>第i荷载步：钝化开挖-i-1、掘进压力-i-2；激活管廊-i-1、掘进压力-i-1、 土/注浆-i-2；
<N+1>第N+1荷载步：钝化开挖-N、掘进压力-N-1；激活管廊N、土/注浆 -N-1；
<N+2>第N+2荷载步：激活土/注浆-N。
优选地，步骤五中采用任意大型有限元软件均可实现精细化模拟管廊结构顶 管施工过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)综合考虑了掘进压力、千斤顶力以及注浆等代层等因素的影响，使有 限元模拟过程最大限度的接近实际管廊顶管的施工流程。
(2)模拟方式精细，能够反映管廊顶管施工的真实状态，计算得到的结果 具备参考价值，可以指导工程实际。
(3)通用性高，采用任意大型有限元软件均可实现精细化模拟管廊结构顶 管施工过程，提高了工作效率，节省了成本。
附图说明
图1是本发明所提供的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方 法的流程图。
图2是本发明实施例所提供的模型尺寸平面示意图。
图3是本发明实施例所提供的模型尺寸剖面示意图。
图4是本发明实施例所提供的三维有限元模型图。
图5是本发明实施例所提供的地表沉降测点布置图。
图6是本发明实施例所提供的y＝15m横断面地表沉降测点数值解与监测解的 对比图(顶进75m)。
图7是本发明实施例所提供的y＝30m横断面地表沉降测点数值解与监测解的 对比图(顶进75m)。
图8是本发明实施例所提供的y＝50m横断面地表沉降测点数值解与监测解的 对比图(顶进75m)。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说 明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明针对现有技术中管廊结构顶管施工模拟传统方法的缺陷，提出一种用 于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，综合考虑管廊周边注浆、掘进压 力以及千斤顶力等因素的影响，更加贴近实际的管廊结构顶进施工过程。
用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法的具体流程如图1所示，具 体阐述如下：
首先根据实际管廊结构所处地层、盾构机的型号以及盾壳与管廊结构的缝隙 等信息，确定注浆等代层的相关参数。
然后根据盾构机的相关参数、千斤顶型号以及管廊节段长度，确定掘进压力、 千斤顶力以及施工进尺；再根据模型中，各构件自身的特点，确定各自采用的本 构模型及单元。
再根据表1所示的管廊结构顶推施工荷载步设置表，结合等代层参数、千斤 顶参数、盾构机型号以及施工进尺，确定数值仿真的荷载步设置。
表1管廊结构顶管施工荷载步设置表
最后采用Midas GTSNX有限元软件，建立管廊结构顶管施工的三维数值模 型进行分析计算。
这里采用Midas GTSNX软件的原因如下：
(1)该软件可实现快速直观的三维建模，中文化的操作界面有利于用户快 速掌握；同时提供快速准确的网格自动生成功能，大大缩短了用户网格划分花费 的时间，从而提高工作效率。
(2)该软件提供专业的岩土分析功能，对于复杂地形可直接通过导入相关 数据生成地形的三维模型；同时提供多样化的岩土本构模型，供用户灵活选择。
(3)该软件提供定义施工阶段的功能，通过激活、钝化相应的网各组、荷 载组以及边界组，来真实的模拟实际施工过程；同时软件后处理时，分析结果直 观明了，便于用户查看。
实施例
下面结合武九线综合管廊顶推下穿武汉和平大道高架桥实际工程，对本发明 进行进一步介绍。该工程实例模型尺寸平面示意图和剖面示意图分别如图2和图 3所示，该段为单舱管廊结构，其长度为9.8m，高度为5.2m，板厚为0.7m，每 节段的宽度为2m；该管廊结构顶部埋深6.87m，与邻近高架桥桩基的净距为 3.46m，在管廊结构与既有桥桩之间设置有长15m、高15m、厚1.4m的MJS旋 喷桩，其与管廊结构净距仅为0.4m。
①首先根据盾壳钢板厚度、管廊结构与盾壳的拼装缝隙以及管廊所处地层 等信息，确定等代层的相关参数，具体如下：
管廊结构与盾壳的拼装缝隙：d1＝10mm
盾壳的钢板厚度：d2＝50mm
管廊结构所处地层为软黏土：η＝2
等代层厚度：d＝η(d1+d2)＝120mm
等代层的密度为：ρ＝1800kg/m3
等代层的弹性模量为：E＝1.2Mpa
等代层的泊松比为：ν＝0.2
②然后按照实际情况确定掘进压力P1、千斤顶力P2以及施工进尺ΔL。参照 工程实例中千斤顶以及盾构机的具体型号和参数，可知掘进压力P1＝300Kpa， 千斤顶力P2＝628KN/m；管廊结构的节段长度ls＝2m，为节约建模及分析计算 时间，提高效率，可取施工进尺ΔL＝3ls＝6m。
③再参照发明内容中的方式，确定模型中各构件采用的本构模型以及单元， 在此不赘述；值得注意的是，MJS旋喷桩挡墙采用各向同性弹性本构模型以及 2D板单元，其水泥掺量较高，弹性模量可取为1Gpa。
④最后根据表1设置数值仿真的荷载步，采用Midas GTSNX软件建立该模 型，并进行分析计算，其三维有限元分析模型如图4所示。
为了验证该有限元模拟方法的有效性，结合本工程实例中地表沉降的监测数 据，将其与对应的数值解进行对比分析，本工程中地表沉降监测点布置示意图如 图5所示。采用本文中的有限元模拟方法，可以得到管廊结构顶进75m时，各 测点位置处的地表沉降数值解，并与监测数据作比对，对比结果如图6-图8所示。
由图6-图8可知，对于y＝15m、y＝30m以及y＝50m处的三个横断面，其地 表沉降的数值解与监测解吻合较好，验证了采用该数值方法模拟管廊结构顶管施 工过程的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精 神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，采用有限元方法模拟管廊结构顶管施工的过程，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，确定注浆等代层的相关参数；所述注浆等代层为管廊周边注浆后形成的土、水泥浆以及土与水泥浆的混合物；
步骤二，确定管廊结构顶管施工的载荷和施工参数；
步骤三，确定管廊结构顶推模拟时，各部分采用的本构模型及单元；
步骤四，确定荷载步的设置；模拟时，土体的开挖以及管廊的施工均通过单元的激活和钝化功能实现；注浆过程通过单元的激活和钝化以及改变单元材料属性的功能实现；
步骤五，建立三维有限元模型，采用有限元分析计算。
2.根据权利要求1所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：步骤一中将注浆等代层看作是各向同性的均质弹性体，注浆等代层的相关参数包括厚度、密度、弹性模量以及泊松比。
3.根据权利要求2所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：等代层厚度的计算公式如下：
d＝η(d1+d2)
上式中：d表示等代层厚度，d1表示管廊结构与盾壳的拼装空隙，d2表示盾壳的钢板厚度，η表示与管廊所处地层土质相关的系数；
等代层的密度、弹性模量以及泊松比的取值如下：
ρ＝1800kg/m3
E＝1.2Mpa
υ＝0.2
其中：ρ表示等代层密度，E表示等代层弹性模量，υ表示等代层泊松比。
4.根据权利要求3所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：η的取值在0.7～2之间，对于硬土层取其下限，对于极软土层取其上限。
5.根据权利要求4所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：对于管廊结构处于的不同土层，其η值取为：硬黏土取0.7～0.9；密砂取0.9～1.3；松砂取1.3～1.8；软黏土取1.8～2.0。
6.根据权利要求1所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：步骤二中管廊结构顶管施工的载荷和施工参数包括掘进压力P1、千斤顶力P2以及顶管施工进尺ΔL；其中，P1表示盾构机顶部刀盘切土掘进时，对掌子面产生的均布面压力；P2表示顶推预制管廊节段时，对管廊横断面产生的均布线荷载；上述二种荷载均根据具体工程确定；ΔL取实际工程中单节段管廊结构的宽度ls。
7.根据权利要求6所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：当模拟的管廊结构顶推段过长时，为提高建模效率，节约计算分析所需时间，取ΔL＝nls，n为自然数。
8.根据权利要求1所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：步骤三中进行管廊结构顶推模拟时，包含原状各土层、注浆等代层、开挖土以及管廊结构4个部分，各部分采用的本构模型及单元如下：
原状各土层：采用摩尔库伦本构模型以及实体单元；
注浆等代层：采用各向同性弹性本构模型以及实体单元；
开挖土：采用摩尔库伦本构模型以及实体单元；
管廊结构：采用各向同性弹性本构模型以及壳单元。
9.根据权利要求1所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：步骤四中确定荷载步设置时，先根据施工进尺定义若干个网格组、边界组以及荷载组，具体如下：
按施工进尺将开挖土分为若干网格组：开挖-1、开挖-2、......、开挖-N；
按施工进尺将注浆等代层分为若干网格组：注浆-1、注浆-2、......、注浆-N；
按施工进尺将管廊分为若干网格组：管廊-1、管廊-2、......、管廊-N；
改变注浆等代层材料属性的边界组：土/注浆-1、土/注浆-2、......、土/注浆-N；
划分掘进压力的荷载组：掘进压力-1、掘进压力-2、......、掘进压力-N-1；
划分千斤顶力的荷载组：千斤顶力-1；
其中：单独激活注浆-1网格组时，其材料属性为该位置原状土的特性；同时激活注浆-1和土/注浆-1时，其材料属性变为注浆后的等代层属性；
假设整个隧道分为N个开挖进尺，那么模拟盾构施工该隧道时，需设置N+2个荷载步，具体如下：
<1>第1荷载步：激活所有原状地层、开挖土、注浆等代层、位移边界以及重力，求得模型在重力荷载作用下，有自重应力而无位移的状态；
<2>第2荷载步：钝化开挖-1；激活管廊-1、掘进压力-1以及千斤顶力-1；
<3>第3荷载步：钝化开挖-2、掘进压力-1；激活管廊-2、掘进压力-2、土/注浆-1；
<i>第i荷载步：钝化开挖-i-1、掘进压力-i-2；激活管廊-i-1、掘进压力-i-1、土/注浆-i-2；
<N+1>第N+1荷载步：钝化开挖-N、掘进压力-N-1；激活管廊N、土/注浆-N-1；
<N+2>第N+2荷载步：激活土/注浆-N。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种用于管廊结构顶管施工的有限元精细化模拟方法，其特征在于：步骤五中采用任意大型有限元软件均可实现精细化模拟管廊结构顶管施工过程。
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