一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法与流程

1.本发明属于土木与交通工程的盾构隧道力学研究技术领域，特别涉及一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法。


背景技术：

2.盾构法施工因为具备对环境影响小，不受地形、地貌等条件限制，以及施工安全、快速等优点，在诸多城市的地铁建设大潮中得到了广泛应用。
3.盾构隧道衬砌通常采用环向接头将多个弧形的衬砌管片拼接成管片环，再通过纵向接头将管片环以通缝或错缝的方式拼装成一个完整的隧道。盾构隧道的管片接头在荷载作用下的力学行为影响着整个隧道结构的力学特征，接头产生的非线性特征会导致盾构隧道整体力学机理变得复杂。
4.相对于室内实验，数值模拟方法成本较低，周期较短，有利于盾构隧道研究的发展。因此，在数值模拟软件中建立符合真实受力情况的盾构隧道管片螺栓连接模型对盾构隧道的发展和深入研究极为重要。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，以较为真实的模拟盾构隧道衬砌的受力情况，真实的模拟了盾构隧道管片螺栓连接，实现盾构隧道螺栓连接过程的精细自动化，无需逐个寻找连接位置和设置连接属性，可以快速准确的建立出符合真实受力情况的盾构隧道管片连接模型，为研究盾构隧道在荷载和变形等作用下的响应提供依据。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
7.本发明一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，包括以下步骤：
8.s1、生成数值计算模型：采用数值模拟软件进行模型建立，依据隧道开挖影响周围土层的范围选定模型平面尺寸和长度，设定数值计算模型及其力学参数和边界条件，待数值计算模型初始平衡后清除位移，并设置位移和应力监测点；
9.s2、开挖隧道设置第一环管片衬砌，并生成盾构隧道衬砌模型：根据步骤s1中设定的数值计算模型尺寸开挖隧道并设置第一环管片衬砌，通过衬砌单元模拟盾构隧道管片，通过对不同位置的衬砌单元赋予不同的身份编号以形成一块块独立的管片，并对衬砌单元设置新的局部坐标系，其y轴指向隧道盾构前进方向，z轴指向隧道径向中轴线，x轴为衬砌平面切向；
10.s3、设置盾构隧道管片环向连接：删除同一环管片衬砌中相邻两块管片相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，接着在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新环向连接，根据螺栓连接情况设置连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；
11.s4、设置第二环管片衬砌和盾构隧道管片纵向连接：开挖第二段圆形隧道,并设置第二环管片衬砌，接着删除相邻两环管片衬砌相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连
接，在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新纵向连接，根据螺栓连接情况设置该连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；
12.s5、重复开挖，数值计算模型计算：根据相邻两环衬砌开挖的时间间隔计算一定步数后，监测各个结点上的位移和内力；并通过fish语言重复步骤s1、步骤s2、步骤s3、步骤s4，直至完成整个隧道开挖和设置连接单元的自动化处理。
13.本发明的有益效果主要体现在如下方面：
14.一、针对强度较为薄弱的管片螺栓连接较为真实的模拟盾构隧道衬砌的受力情况，基于数值模拟软件中的fish语言，真实的模拟了盾构隧道管片螺栓连接，实现了盾构隧道螺栓连接过程的自动化，无需逐个寻找连接位置和设置连接属性，可以快速准确的建立出符合真实受力情况的盾构隧道管片连接模型，为研究盾构隧道在荷载和变形等作用下的响应提供依据；
15.三、采用自动化建立模型的处理方式，极大地提高了建模效率，且操作简单，易于实际应用，为研究盾构隧道衬砌变形和内力提供了一个合理的模型；
16.四、相对于室内实验，数值模拟方法成本较低，周期较短，有利于盾构隧道研究的发展。
附图说明
17.图1为本发明本发明盾构隧道螺栓连接模型建立流程图；
18.图2为本发明衬砌管片三维模型示意图；
19.图3为本发明衬砌管片纵、环向螺栓连接模型示意图；
20.图4为本发明衬砌管片环向连接单元设置变形弹簧示意图；
21.图5为本发明衬砌管片纵向连接单元设置变形弹簧示意图。
22.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：第一环管片衬砌1、第一管片11、环向连接第一结点111、纵向连接第一结点112、第二管片12、环向连接第二结点121、第二环管片衬砌2、第三管片21、纵向连接第二结点211、第四管片22、管片环向连接3、管片纵向连接4、抗弯弹簧5、抗压弹簧6、抗剪弹簧7。
具体实施方式
23.以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
24.参照图1，本一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，包括以下步骤：
25.s1、生成数值计算模型：采用数值模拟软件进行模型建立，依据隧道开挖影响周围土层的范围选定模型平面尺寸和长度，设定数值计算模型及其力学参数和边界条件，待数值计算模型初始平衡后清除位移，并设置位移和应力监测点；
26.s2、开挖隧道设置第一环管片衬砌，并生成盾构隧道衬砌模型：根据步骤s1中设定的数值计算模型尺寸开挖隧道并设置第一环管片衬砌，通过衬砌单元模拟盾构隧道管片，通过对不同位置的衬砌单元赋予不同的身份编号以形成一块块独立的管片，并对衬砌单元设置新的局部坐标系，其y轴指向隧道盾构前进方向，z轴指向隧道径向中轴线，x轴为衬砌平面切向；
27.s3、设置盾构隧道管片环向连接：删除同一环管片衬砌中相邻两块管片相邻位置
上原始存在的部分结点-地层型连接，接着在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新环向连接，根据螺栓连接情况设置连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；
28.s4、设置第二环管片衬砌和盾构隧道管片纵向连接：开挖第二段圆形隧道,并设置第二环管片衬砌，接着删除相邻两环管片衬砌相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新纵向连接，根据螺栓连接情况设置该连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；
29.s5、重复开挖，数值计算模型计算：根据相邻两环衬砌开挖的时间间隔计算一定步数后，监测各个结点上的位移和内力；并通过fish语言重复步骤s1、步骤s2、步骤s3、步骤s4，直至完成整个隧道开挖和设置连接单元的自动化处理。
30.在上述技术方案中：
31.步骤s1中所述数值计算模型的土层选择摩尔-库伦模型；
32.步骤s2中所述衬砌单元保留部分结点与土层的连接；
33.步骤s3中所述新环向连接是在六个自由度上的弹簧模型及其参数，参数包括刚度、内摩擦角、粘聚力和屈服强度；
34.步骤s4中所述新纵向连接是在六个自由度上的弹簧模型及其参数，参数包括弹簧刚度、内摩擦角、粘聚力和屈服强度。
35.步骤s3中所述新环向连接的y方向设置抗弯弹簧，x方向设置抗压弹簧，z方向设置抗剪弹簧。
36.步骤s4中所述新纵向连接的y方向设置抗压弹簧，x方向设置抗弯弹簧，z方向设置抗剪弹簧。
37.实施例：
38.参照图1至图5，该实施例采用本发明一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法的步骤如下：
39.s1、生成数值计算模型。
40.采用数值模拟软件进行数值计算模型建立，依据隧道开挖影响周围土层的范围选定模型平面尺寸和长度，按实际情况设定数值计算模型及其力学参数、边界条件。具体地，假设设定数值计算模型的尺寸为：断面长200m、高100m，沿长度方向长度100m，隧道为半径等于5的圆形断面，每次开挖深度为5m；土层为均匀软粘土，符合摩尔-库伦强度理理论，体积模量和截切模量分别为50mpa和18mpa，摩擦角为20
°
，内粘聚力为50kpa，荷载施加重力荷载和顶部均匀荷载，边界条件选择位移边界条件；待数值计算模型初始平衡后清除位移，并设置位移和应力监测点。
41.s2、开挖隧道设置第一环管片衬砌，并生成盾构隧道衬砌模型：
42.根据s1中设定的数值计算模型尺寸开挖隧道并设置第一环管片衬砌1，通过衬砌单元模拟盾构隧道管片衬砌，通过对不同位置的衬砌单元赋予不同的身份编号将其分割成一块块独立的管片，每一环管片由环向连接单元将不同的管片连接而成，相邻两环管片衬砌之间依靠管片纵向连接单元连接到一起形成完整的隧道模型。具体地，先开挖第一段圆形隧道(每隔5m开挖一段圆形隧道)并设置第一环管片衬砌1，如图2和图3所示，图示的盾构隧道管片衬砌系统包括依次纵向连接的第一环管片衬砌1、第二环管片衬砌2......第n环管片衬砌；所述第一环管片衬砌1包括依次环向连接的第一管片11、第二管片12；所述第一
管片11和所述第二管片12之间通过管片环向连接3连接；所述第二环管片衬砌2包括依次环向连接的第三管片21、第四管片22；所述第三管片21和所述第四管片22之间通过管片环向连接单元3连接；所述第一管片11与所述第三管片21之间通过管片纵向连接单元4连接，所述第二管片12与所述第四管片22之间亦通过管片纵向连接单元4连接；如图2所示，对衬砌单元设置新的局部坐标系：y轴指向隧道盾构前进方向，z轴指向隧道径向中轴线，x轴为衬砌平面切向。
43.s3、设置盾构隧道管片环向连接：
44.删除同一环管片衬砌中相邻两块管片相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，接着在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新环向连接(如图4所示的环向连接第一结点111-环向连接第二结点121)，设置该第一连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数，包括刚度e、内摩擦角φ、粘聚力c，屈服强度等。具体地，在上述新环向连接的y方向设置抗弯弹簧5、x方向设置抗压弹簧6和z方向设置抗剪弹簧7，选择弹簧类型为线性弹簧，刚度分别用kr、kc、kt表示，其余方向设置为固定连接(rigid)；根据螺栓连接情况设置变形弹簧的参数，如刚度e、内摩擦角φ、粘聚力c，屈服强度等；如图4所示，所述抗弯弹簧5、所述抗压弹簧6以及所述抗剪弹簧7均设于所述第一管片11上的环向连接第一结点111和所述第二管片12上的环向连接第二结点121之间；所述抗压弹簧6和所述抗剪弹簧7彼此垂直设置；所述抗弯弹簧5两端分别与所述环向连接第一结点111和所述环向连接第二结点121连接。
45.s4、设置第二环管片衬砌和盾构隧道管片纵向连接：
46.与所述第一段圆形隧道间隔5m开挖第二段圆形隧道,并设置第二环管片衬砌，从第二环管片衬砌开始，每次建立新的一环管片都将与前一环管片衬砌建立新的连接以模拟纵向螺栓连接；如图5所示，首先删除相邻两环管片衬砌相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，接着在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新纵向连接(如图5所示的纵向连接第一结点112-纵向连接第二结点122)，设置该新纵向连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数，包括刚度e、内摩擦角φ、粘聚力c，屈服强度等；具体地，在上述第二结点连接单元的x方向设置抗压弹簧6、y方向设置抗弯弹簧5和z方向设置抗剪弹簧7，选择弹簧类型为线性弹簧，刚度分别用kr、kc、kt表示，其余方向设置为固定连接(rigid)；根据螺栓连接情况设置变形弹簧的参数，如刚度e、内摩擦角φ、粘聚力c，屈服强度等；如图5所示，所述抗弯弹簧5、所述抗压弹簧6以及所述抗剪弹簧7均设于所述第一管片11上的纵向连接第一结点112和所述第三管片21上的纵向连接第二结点211之间；所述抗压弹簧6和所述抗剪弹簧7彼此垂直设置；所述抗弯弹簧5的两端分别与所述纵向连接第一结点112和所述纵向连接第二结点122连接。
47.步骤5、s5、重复开挖，数值计算模型计算：
48.在步骤3和步骤4中新环向连接和新纵向连接分别设置完成后，根据相邻两环衬砌开挖的时间间隔计算一定步数后，监测各个结点上的位移和内力；并通过fish语言重复步骤1、步骤2、步骤3、步骤4，进而实现整个隧道开挖和设置连接单元的自动化处理。
49.本发明一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法相对于室内实验，数值模拟方法成本较低，周期较短，有利于盾构隧道研究的发展。针对强度较为薄弱的管片螺栓连接，较为真实的模拟盾构隧道衬砌的受力情况，基于仿真计算单元中的fish语言，真实的模拟了盾构隧道管片螺栓连接，实现了盾构隧道螺栓连接过程的自动化，无需逐个寻找连接
位置和设置连接属性，可以快速准确的建立出符合真实受力情况的盾构隧道管片连接模型，为研究盾构隧道在荷载和变形等作用下的响应提供依据。其自动化建立模型的处理方式，极大地提高了建模效率，且本发明操作简单，易于实际应用，为研究盾构隧道衬砌变形和内力提供了一个合理的模型。

技术特征：
1.一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，包括以下步骤：s1、生成数值计算模型：采用数值模拟软件进行模型建立，依据隧道开挖影响周围土层的范围选定模型平面尺寸和长度，设定数值计算模型及其力学参数和边界条件，待数值计算模型初始平衡后清除位移，并设置位移和应力监测点；s2、开挖隧道设置第一环管片衬砌，并生成盾构隧道衬砌模型：根据步骤s1中设定的数值计算模型尺寸开挖隧道并设置第一环管片衬砌，通过衬砌单元模拟盾构隧道管片，通过对不同位置的衬砌单元赋予不同的身份编号以形成一块块独立的管片，并对衬砌单元设置新的局部坐标系，其y轴指向隧道盾构前进方向，z轴指向隧道径向中轴线，x轴为衬砌平面切向；s3、设置盾构隧道管片环向连接：删除同一环管片衬砌中相邻两块管片相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，接着在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新环向连接，根据螺栓连接情况设置连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；s4、设置第二环管片衬砌和盾构隧道管片纵向连接：开挖第二段圆形隧道,并设置第二环管片衬砌，接着删除相邻两环管片衬砌相邻位置上原始存在的部分结点-地层型连接，在该删除位置上建立一个结点-结点类型的新纵向连接，根据螺栓连接情况设置该连接在六个自由度上的弹簧模型及其参数；s5、重复开挖，数值计算模型计算：根据相邻两环衬砌开挖的时间间隔计算一定步数后，监测各个结点上的位移和内力；并通过fish语言重复步骤s1、步骤s2、步骤s3、步骤s4，直至完成整个隧道开挖和设置连接单元的自动化处理。2.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s1中所述数值计算模型的土层选择摩尔-库伦模型。3.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s2中所述衬砌单元保留部分结点与土层的连接。4.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s3中所述新环向连接是在六个自由度上的弹簧模型及其参数，参数包括刚度、内摩擦角、粘聚力和屈服强度。5.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s4中所述新纵向连接是在六个自由度上的弹簧模型及其参数，参数包括弹簧刚度、内摩擦角、粘聚力和屈服强度。6.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s3中所述新环向连接的y方向设置抗弯弹簧，x方向设置抗压弹簧，z方向设置抗剪弹簧。7.如权利要求1所述的一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，其特征是：步骤s4中所述新纵向连接的y方向设置抗压弹簧，x方向设置抗弯弹簧，z方向设置抗剪弹簧。

技术总结
一种盾构隧道管片螺栓连接自动精细化模拟方法，以较为真实的模拟盾构隧道衬砌的受力情况，真实的模拟了盾构隧道管片螺栓连接，实现盾构隧道螺栓连接过程的精细自动化，无需逐个寻找连接位置和设置连接属性，可以快速准确的建立出符合真实受力情况的盾构隧道管片连接模型，为研究盾构隧道在荷载和变形等作用下的响应提供依据。包括以下步骤：生成数值计算模型；开挖隧道设置第一环管片衬砌，并生成盾构隧道衬砌模型；设置盾构隧道管片环向连接；设置第二环管片衬砌和盾构隧道管片纵向连接；重复开挖，数值计算模型计算，通过fish语言重复前述各步骤，直至完成整个隧道开挖和设置连接单元的自动化处理。接单元的自动化处理。接单元的自动化处理。


技术研发人员：王宏超 殷召念 熊国兴 喻渝 张慧玲 卿伟宸 朱宏
受保护的技术使用者：中铁二院工程集团有限责任公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/18