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基于动态掘进规律的盾构隧道沉降数值模拟分析研究
| 论文题名： | 基于动态掘进规律的盾构隧道沉降数值模拟分析研究 |
| 关键词： | 盾构隧道;沉降规律;离散元;数值模拟;动态掘进 |
| 摘要： | 盾构隧道施工引起地表沉降的数值模拟一直是隧道工作者研究的重点，且模拟方法多采用有限单元法。但这种方法难以实现盾构机刀盘对土体扭剪作用的模拟，通常仅是删除模型中隧道部分的土体单元，在模型运算中达到力的平衡后得出计算结果。这种方法预测的地表沉降是施工后沉降可能出现的最大值，不能反映盾构机施工过程中因隧导周围地层扰动所产生的地表实时竖向位移，不能兼顾隧道开挖造成地表隆起和隧道下卧层土体沉降的情况。为此，本研究以呼和浩特市地铁二号线工程为背景，采用有限元、离散元及两种数值模拟方法耦合计算的方式开展了以下研究：（1）进行了砂土、黏土室内三轴试验，拟合土体力学参数(内摩擦角、粘聚力、变形模量)与土体孔隙率之间的关系。通过三轴离散元数值模拟试验监测土体剪切过程中孔隙度随应变的变化规律，并将孔隙度变化曲线划分为弹塑性变形阶段和破坏阶段，对应到孔隙度——土力学参数拟合曲线，从而得到土体在弹塑性变形阶段和破坏阶段各自对应的土力学参数。（2）通过有限元删除单元法模拟盾构隧道实时开挖，并进行模型地表监测。通过提取模型中弹、塑性区土体单元应变、三个主应力数据，计算得到模型的ZSI云图。根据ZSI云图中土体不稳定区的划分确定开挖步长的最佳值。进一步研究了删除单元法中衬砌与注浆工序的模拟及地表沉降规律（3）通过离散元方法建立了盾构开挖地层损失模型和盾构机刀盘滚刀破岩模型，研究了隧道埋深、地层损失率对地表沉降的影响，研究了滚刀的转动速度、平移速度、下压力因素对破岩效率的影响。通过有限元—离散元耦合方式建立的盾构隧道掘进模型，对隧道土体和其周围扰动土体单元分别按照土体破坏阶段和弹塑性变形阶段的土力学参数赋值，实现了盾构机刀盘扭剪土体动态过程的模拟。（4）将盾构掘进动态模拟计算得出的地表竖向位移与工程实测沉降数据进行对比，发现盾构机穿越土层时造成的地表隆起会在之后隧道的固结沉降中消失；穿越时隧道下卧层土体的最大沉降值即为隧道后续固结沉降过程中可能出现的最大值。 |
| 作者： | 陈秀楠 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 闫景晨;程国义 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 内蒙古工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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