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长距离输水隧洞TBM施工过程数值分析

赵鹏涛  
【摘要】: 本文以现有的盾构管片衬砌设计研究理论为背景,在综合考虑深埋TBM施工隧洞特点的基础上,采用有限元分析软件ANSYS,结合工程实例,对管片常用设计模型进行了比较,对隧洞开挖过程进行三维弹塑性有限元模拟分析,确定深埋隧洞管片衬砌的围岩压力分布模式,然后以此围岩压力分布模式为基础,进行了TBM掘进过程的数值模拟,从而分析了TBM施工时的围岩变位、围岩应力变化规律以及观片衬砌的应力情况。通过分析本文得出以下结论: (1)在ANSYS程序中,采用传统的“反转作用力”法处理开挖围岩应力释放,过程复杂、程序繁琐,因此,本文尝试应用弱化单元理论,推算隧洞在开挖过程中应力释放与弹性模量、泊松比等材料参数之间的关系,确定不同应力释放系数所对应的弹性模量弱化系数,以此来模拟围岩应力的释放过程,从而简化了计算模型。 (2)总结、比较分析现有盾构管片计算模型,采用均质圆环法、多饺圆环法、梁—弹簧模型的理论和数值分析方法,对某实际工程的衬砌管片进行分析计算,结果表明:梁—弹簧模型比较真实的反映了深埋隧洞管片衬砌的受力和工作情况,也体现了柔性衬砌的特点;均质圆环法计算简单易行,计算结果偏于安全,是一种简便易行的计算方法,用于TBM输水隧洞管片衬砌的计算比较合理。 (3)通过模拟TBM隧洞开挖过程,分析计算开挖前后隧洞围岩的变形过程,得出TBM开挖隧洞管片衬砌上的围岩变形压力荷载分布模式为洞顶大、洞底小、中间均匀变化的近似螺旋线形分布,结果与抛物线形式分布的盾构隧洞管片衬砌上的围岩变形压力荷载分布有较大的不同。 (4)采用在切削面施加顶进压力的方法来模拟开挖面岩体的移动,采用更换管片层材料参数的方法来模拟管片衬砌,采用施加注浆压力的方法来模拟盾尾注浆过程,采用更换注浆层材料参数的方法来模拟盾尾注浆对盾尾空隙的填充效果,通过仿真分析得出了围岩位移变化、围岩应力变化、管片衬砌应力变化规律,这些成果可为实际工程提供一定的参考。


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