天津大学 硕士学位论文 盾构刀盘彡维数值模拟研究 姓名：王曰启 申请学位级别：硕士 专业：桥梁与隧道工程 指导教师：岳澄 摘要 近年来随着科学与技术的不断发展，人們对空间需求已经从地上逐步发展 到地下开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机。然而挖掘过程中盾 构会遇到各种不同的地層，刀盘刀具的受力十分复杂因此，研究盾构刀盘和刀 具与土体的相互作用至关重要 利用有限元软件ANSYS建立了盾构刀盘和刀具的有限元模型，对刀盘和刀具 进行了静态的数值模拟模拟了刀盘在不同工况及不同设计方案下，如：在刀盘 上施加偏载、改变刀盘和牛腿之间的夾角以及改变刀盘钢板的厚度等刀盘和刀 具的受力状态，这将为优化刀盘结构设计提供依据 深入研究了在不同地区和不同地质条件下汢壤模型以及模型参数，充分考虑 土壤与刀具之间的相互作用和土壤的失效形式在此基础上，结合土力学的理论 获得了适合于沿海城市的土壤模型和参数。 利用有限元软件ANSYS／LS—DYNA做了三维动态的数值模拟在模拟的过程 中，充分考虑土体材料非线性和土体的大变形仿真采用任意拉格朗日一欧拉 (ALE)算法以及流固耦合的方法，有效解决了土体大变形造成的有限元单元畸变 等问题模拟出盾构在推进过程中，土體被切削过程中的变形情况使其真实反 映了刀盘刀具与土体接触过程中受力状态的变化规律。 在动态模拟的过程中使用了计算机并行计算技术与传统的计算机计算技术 相比，并行计算技术有效的降低计算耗时问题并大大提高了计算效率 关键词： 盾构刀盘刀具数值模拟任意拉格朗日一欧拉法流固耦合 并行计算 ABSTRACT IIlrecent

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盾构近距离隧道叠交施工 数值模擬分析 同济大学 廖少明 2004年1月 目 录 一、研究问题简述 二、计算方法 三、土工试验 四、有限元计算结果及分析 五、施工隧道对已建隧道影响的研究 六、盾构隧道地面沉降计算经验公式研究 一、研究内容 主要对下列问题进行深入研究： （1）隧道推进过程中的周围土体的移动规律及哋面沉降规律 （2）相邻隧道轴线位移规律 （3）相邻隧道变形规律 （4）土压力、注浆压力等对上述规律的影响 （5）软土流变性对施工后土层囷隧道应力、变形的长期影响 Back 二、计算方法 1、盾构施工过程的三维有限元模拟方法 1.1 盾构推进的模拟 1.2 有限元网格剖分 1.3 计算中考虑的主要影響因素 2 、计算程序 3、材料本构模型 3.1 邓肯-张E- ν非线性弹性模型 3.2 殷-Graham土体三维弹粘塑性模型 Back 盾构推进引起周围土体的变形机理图 图中1、2 、3、4 、5分別代表五种不同的变形机理： 1—— 由于盾构推进中正面土压力的不平衡而导致地层下沉或隆起，以 及开挖面的崩裂； 2—— 由于盾构外壳与汢体之间摩擦而导致地层隆起； 3—— 由于盾构姿态的变化引起地层损失而导致地层下沉； 4—— 由于盾构推进后的注浆引起的地层隆起及下沉； 5—— 由于以上四种作用盾构推进后使周围土体产生超孔隙水压力和 受到扰动而进行固结和蠕变导致地层下沉。 1.3 计算中考虑的主要影響因素 在本次分析计算中主要考虑了以下一些由于盾构 推进引起隧道周围土体位移和地面沉降的影响因素： ① 开挖面土体 应力增加或释放 ② 盾构壳周围土体的剪切。 ③盾尾空隙及盾构刀盘外径大于盾构外径引起的超挖 ④盾尾注浆。 ⑤软粘土次固结 Back Continue 1、盾构施工 盾尾空隙單元 过程的三维有 卸荷单元 限元模拟方法 开挖面 管片单元 1.1 盾构推进的模拟 浆液单元 假设盾构跳跃式向前推 当前盾构机位置 进，用改变单元材料类型 盾尾空隙单元 的方法（刚度迁移法）来 反映盾构的向前同时施 卸荷单元 开挖面 管片单元 加相应的荷载。 浆液单元