考虑动态效应的隧道“零刷坡”顶进法进洞施工全过程数值模拟.pdf

年 月下第 卷 第 期施工技术（中英文）：考虑动态效应的隧道“零刷坡”顶进法进洞施工全过程数值模拟董北毅，高新强，马泽骋，樊浩博，朱正国，（石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄；石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄；河北省交通工程结构力学行为演变与控制重点实验室，河北 石家庄；河北省金属矿山安全高效开采技术创新中心，河北 石家庄）摘要 顶进法数值模拟研究中，均采用静力学模拟方法，未见顶进法进洞全过程动态顶进模拟。采用显式动力学方法模拟了顶进法进洞动态全过程力学响应，对比了隐式静力学和显式动力学方法模拟结果，证明显式动力学结果可靠；并对显式动力学方法进行了进一步研究，在计算过程中使用基于时间和空间的单元删除算法，解决了 显式动力学不能模拟开挖的问题。模拟结果表明，显式动力学方法可有效模拟顶进法进洞施工过程。综合顶进力大小、经济性和施工效率，顶进法进洞施工可不进行注泥浆减摩。推导了洞口带有坡度情况下的顶进力理论公式，较好地反映了洞口坡度对顶进力的影响。关键词 隧道工程；数值模拟；顶管；顶进法；显式动力学；施工技术中图分类号 文献标识码 文章编号（）石家庄铁道大学研究生创新资助项目（）；中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目（院科，）；中国铁建股份有限公司科技重大专项（，）作者简介 董北毅，硕士研究生，：通信作者 高新强，博士，教授，博士生导师，：收稿日期 “”，（，；，；，；，）：，施工技术（中英文）第 卷：；引言 在工程设计中，数值分析通常被用于工程力学行为模拟。目前，数值模拟顶进法主要有 种，分别为：采用逐步开挖、添加接触、激活管节的方式模拟顶进过程，未考虑顶进过程的动态效应；考虑顶进过程对土体的扰动，先释放一部分掌子面周围应力，再进行开挖和管节激活；考虑动态效应，先开挖再添加接触，施加位移、力或速度荷载模拟顶进过程。在模拟顶进过程的动态效应时，多采用的是小位移顶进，用小位移顶进结果拟合出长距离顶进结果，实际顶进长度仅为 ，。顶进法进洞全过程动态顶进模拟分析几乎未涉及。隧道进洞施工过程中，多采用的是刷坡进洞，生态环境较脆弱地区可能需很长时间恢复，如某些隧道洞口地形、地貌复杂，生态环境十分敏感、脆弱。本文提出手掘式顶进法进洞，洞口与水平面呈一定角度，即“零刷坡”进洞，不仅可降低进洞施工对环境的影响，而且可与后续隧道施工工法进行较好衔接。本文对这种“零刷坡”顶进法进洞进行动态数值模拟分析，初步论证其可行性。数值模型建立与参数设置 基本假定 在实际工程中，顶管施工地质条件复杂，施工工艺、技术水平均会影响顶进法的力学行为，为使数值模拟分析可行作以下假定：土层设置为单一土层，忽略土体表面凹凸性；只考虑重力作用下的地应力初始平衡；假设土体都是连续、均匀、各向同性的弹塑性体，不考虑节理、层理等地质软弱面；假设模型物理力学参数在整个计算过程中保持不变，即土体的变形致密作用不予考虑；不考虑顶管接头的影响。有限元模型建立 采用 软件建立三维有限元模型，如图 所示。顶管管节断面为马蹄形，壁厚 ，内轮廓如图 所示。土体底面约束竖向位移，四周约束水平位移，顶管约束底部竖向位移和对称面水平位移。土 体 与 顶 管 均 采 用 结 点 六 面 体 单 元（）模拟。模型边界选取距离隧道中心 倍洞径。计算参数选取 参考某顶管工程土体参数及不同润滑条件下管土摩擦系数，如表，所示。聚合物为超级聚图 三维数值模型（单位：）（：）图 隧道断面（单位：）（：）丙烯酸，增塑剂为硅酸钠和聚丙烯酸酯的结合物。土体采用莫尔库仑本构模型，注泥浆减摩效果用不同管土摩擦系数模拟，顶管采用 混凝土，不考虑混凝土塑性变形。表 模型物理力学参数 类型弹性模量 泊松比密度（）内摩擦角（）黏聚力土体 顶管 表 不同类型润滑剂摩擦系数 法向压应力无润滑剂膨润土膨润土聚合物增塑剂膨润土增塑剂聚合物增塑剂 平均值 减小率 隐式分析（静力学）中管土采用共节点的接触方式，即两者变形协调同步；显式分析（动力学）中管土采用面面接触，法向采用“硬接触”，切向采用罚函数的库仑摩擦接触。施工阶段模拟 在实际工程中，更关注的是顶进速度与顶进距 董北毅等：考虑动态效应的隧道“零刷坡”顶进法进洞施工全过程数值模拟 离对力学行为的影响，在隐式分析中施加速度荷载并不容易，一般采用的是先开挖再激活管节的模拟过程，不能对动态顶进过程进行较好模拟。采用显式分析可较好地模拟动态过程，即在顶管上施加一定速度、位移荷载顶进管节。地应力平衡后，显式分析和隐式分析模拟实现方式如下。显式分析中，模拟步骤为：首先开挖顶管前方土体，然后给顶管施加顶进方向位移边界条件（位移控制法），当顶管以一定速度顶到预定位置后，顶管速度变为，接着开挖下一层土体，顶管继续顶进。重复上述过程，直到顶管顶到预定深度，完成整个进洞过程。在土体开挖过程中，使用基于时间和空间的单元删除算法解决 显式分析不能模拟土体开挖的问题，流程如图 所示。图 基于时间和空间的单元删除算法流程 需要指出的是，如果采用真实的顶进速度模拟顶进过程，首先计算机性能很难满足要求，再者由于显式分析从当前状态下的可用数据计算新状态的特性，计算机的舍入误差将会对计算结果产生较大影响，模拟结果会有较大误差。所以采用位移时间曲线控制顶进速度，对真实顶进速度进行折减，选取合适的速度模拟，如果在整个模拟过程中，模型的动能与内能的比值，那么就认为顶进速度对结果的影响很小，也就是说可用较大顶进速度模拟真实的顶进过程。本文所采用的顶管顶进位移时间曲线如图 所示，平均顶进速度为 ，共顶进 次，每次顶进。图 顶管顶进位移时间曲线（顶进 次时）（）在隐式分析中，模拟步骤为：首先开挖顶管前方土体，然后激活管节，接着开挖下一土体，激活管节，重复上述过程，直到顶管顶到预定深度，完成整个进洞过程。隐式分析与显式分析结果对比 对比模型物理力学参数完全相同，埋深，坡面与水平面夹角。模型总动能与总内能比值（）如图 所示，最大值约为 ，最小值约为。图 顶进距离与 （动能 内能）曲线 （）分别对比 种方法的 应力场、位移场、塑性区及掌子面挤出变形，如图 所示。图 土体 应力分布（单位：）（：）图 土体位移（单位：）（：）由图，可看出，种方法的土体 应力分布和土体位移分布差异不大，可认为一致。由图 可看出，显式分析的塑性应变比隐式分析的大，且分布在洞口和洞底，这是由于在顶进过程中管土间具有剪切作用，且土体的抗剪强度较低，所以塑性应变较大，从此角度考虑，显式分析的塑性区结果要优于隐式分析。由图 可看出，种方法的掌子面最大挤出变 施工技术（中英文）第 卷图 土体塑性区 图 掌子面挤出变形（单位：）（：）图 顶管 应力分布（单位：）（：）形（取距洞口 处掌子面）均在约 ，差距约为。由图 可看出，显式分析顶管应力要明显大于隐式分析，且远远超过顶管材料的强度，说明顶管已发生破坏。但根据实际工程经验看，顶管并未发生破坏，这是由于在显式分析中使用了较大的速度荷载，管土间有冲击作用，导致顶管应力偏大，所以顶管应力分析应采用隐式分析方法。综上所述，采用显式动力学方法进行顶进法进洞模拟可行，但进行顶管应力分析时需采用隐式静力学方法。显式动力学方法顶进力结果分析 对显式动力学方法进行了进一步模拟，分别模拟了无减摩措施、最优减摩措施、不同坡度和不同管土接触范围下的工况，如表 所示。表 显式动力学方法模拟工况 工况坡面与水平面角度（）管土摩擦系数 管土接触区域 全接触 全接触 全接触 全接触 全接触 全接触 各工况模型总动能与总内能比值（）趋势如图 所示，随着顶进距离的增大，模型总动能与总内能比值逐渐趋于，最大值均未超过。图 各工况模型 趋势 顶进力分析 数值模拟计算得出的各工况顶进力与顶进距离关系如图 所示，取每个“波峰”极值，并忽略突变值，得到顶进力与顶进距离关系曲线，如图，所示。根据模拟结果，在顶进开始阶段，顶进力与顶进距离关系呈现一定的非线性，这与进洞开始阶段管土接触面积增量为非线性吻合。顶管完全被围岩覆盖后，顶进力与顶进距离关系转变为近似线性。相同顶进距离下，洞口坡角与顶进力关系为正相关，即随着坡角的增大顶进力也随之增大。增塑剂聚合物注泥浆减摩（）效果明显。以 坡角为例，管土全接触无减摩措施、增塑剂聚合物减摩顶进 所需顶进力为 ，减摩后顶进力减少约。考虑到顶进法进洞顶进距离较短，不进行注泥浆减摩顶进 所需顶进力不大，结合经济性和施工效率，可考虑不进行注泥浆减摩。管土 接触与全接触顶进力对比 如图 所示，从顶管应力分布反推管土接触范围，管土接触范围约在距顶管底部 处，所以将管土接触设置在距顶管底部 以下范围，此时管土接触区域约为。与管土全接触工况对比 董北毅等：考虑动态效应的隧道“零刷坡”顶进法进洞施工全过程数值模拟 图 各工况顶进力与顶进距离关系曲线 图 全接触工况顶进力与顶进距离关系曲线 如表 所示（顶进距离按 计算）。与管土全接触相比，管土接触范围的顶进力分别减少，图 管土接触工况顶进力与顶进距离关系曲线（）（），（，坡角），顶进阻力作用在距顶管底部 以下部分。在施工中，可将千斤顶布置在距顶管底部 以下部分。图 顶管应力分布 施工技术（中英文）第 卷表 不同接触范围顶进力对比 项目坡角（）全接触 接触 差值（）（）（）顶进力理论公式改进 现有顶进力计算公式均由假设顶管上方覆土深度不变而导出，对于顶管上方土体为斜面的情况，尚未有理论公式作为参考。参考余彬泉等所提手掘式顶管顶进力理论公式：（）式 中：为 总 顶 进 力；为 初 始 推 力（，为刃口贯入阻力系数）；为管与土的摩擦系数；为管外径；为管周边的荷载系数；为管土间摩擦系数，（），为内摩擦角；为顶管上方竖向土压力；为管土间黏着力；为顶进距离；为每米顶管自重。计算简图如图 所示，假设顶管上方斜向土压力 与竖向夹角 满足 （）（），为坡角，当 时 与 恰好互余。将顶管上方竖向土压力视为斜向土压力的竖向分量，相应地在式（）中加入顶管在斜向土压力的水平分量作用下的摩阻力，得到改进公式：（）图 顶进力计算简图 式（）即为带坡度的顶进力计算公式，当竖向土压力不随顶进距离变化（埋深不变）时，式（）退化为式（）。考虑到竖向土压力作用范围过大，对式（）进一步进行优化，将竖向土压力作用面积简化为水平投影面积，得到改进公式：（）改进公式与式（）对比如图 所示，式（）计算结果较大，这与其他学者的结论类似。整体来看各公式顶进力关系为：式（）式（）式（）。改进公式大致可分为 个阶段：第 个阶段为开始顶进到顶管埋深不变，此阶段由于顶管埋深随顶进距离改变、斜向土压力的水平分量较大，导致顶管上方竖向土压力随顶进距离改变，进而顶进力与顶进距离呈现非线性关系；第 个阶段为顶管埋深不变到顶进结束，此阶段由于顶管上方竖向土压力不再发生变化，且斜向土压力的水平分量较小，所以顶进力与顶进距离近似为线性相关。随着顶进距离的增加，洞口坡度对顶进力的影响逐渐减小，最后近似趋于一致。图 不同公式对比 理论公式与模拟值顶进力对比（全接触）如表 所示（顶进距离按 计算），模拟值与式（）顶进力差值最大，与式（）顶进力最接近，以坡角工况为例，模拟值、式（）和式（）顶进 所需顶进力分别为 ，式（）和式（）与模拟值差值百分比分别为 ，。表 理论公式与模拟值顶进力对比 项目坡角（）模拟值 式（）与模拟值差值（）（）（）式（）与模拟值差值（）（）（）式（）与模拟值差值（）（）（）董北毅等：考虑动态效应的隧道“零刷坡”顶进法进洞施工全过程数值模拟 式（）较好地反映了洞口坡度对顶进力的影响，且模拟值与式（）较吻合，说明模拟值较可靠。由于式（）是在无减摩措施情况下推导，故不与 工况进行比较。结语 ）本文所述显式动力学模拟顶进法进洞施工方法可行，但进行顶管应力分析时应采用隐式静力学方法。）采用显式动力学方法，揭示了动态顶进过程中顶进距离对顶进力的影响规律，考虑到顶进法进洞顶进距离较短，不进行注泥浆减摩顶进 所需顶进力不大，综合经济性和施工效率，可考虑不进行注泥浆减摩。）推导了洞口带有坡度情况下的顶进力理论公式，可较好地反映了洞口坡度对顶进力的影响。）马蹄形隧道顶进阻力大部分由顶管下部范围承受。参考文献：吴勇，徐日庆，段景川，等 浅覆土大断面小间距矩形顶管施工的环境效应 现代隧道技术，（）：，（）：魏纲，郝威，魏新江，等 竖向顶管施工全过程数值模拟研究 现代隧道技术，（）：，（）：张艳林，曾天成，甘甜，等 真实复杂地层大直径钢顶管三维数值模 拟 研 究 科 学 技 术 与 工 程，（）：，（）：张国伟，杨小波，吕乔森，等 长距离输气隧道顶管施工数值模拟分析 铁道建筑，（）：，（）：，：，：付亚雄，郑宏 软黏土地层顶管隧道掌子面稳定性数值研究 地下空间与工程学报，（）：，（）：杨金虎，陈卫兵，张莉，等 双层顶管隧道施工引起的土体竖向变形规律研究 科学技术与工程，（）：，（）：王剑锋，甄亮，张涛，等 越江钢筋混凝土顶管施工三维数值分析科学技术与工程，（）：，（）：张宇，陶连金，赵旭，等 水平布置的先行顶管对后续顶管顶推力的影响分析 东南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：贾蓬，焦程龙，张雯超 沈阳地区大直径顶管顶力预估与减阻效果的数值模拟 东北大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，焦程龙，赵歆，牛富俊 矩形顶管管土接触面状态及顶推力预估 东北大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：刘猛，杨春利，亓路宽 非开挖施工钢制管直顶顶力数值分析 地下空间与工程学报，（）：，（）：，：，：彭建兵，崔鹏，庄建琦川藏铁路对工程地质提出的挑战岩石力学与工程学报，（）：（下转第 页）施工技术（中英文）第 卷图 第 施工段落材料碳排放量 量的主要途径。）本文在计算中需用到大量建设指标、机械参数及工序统计数据，后续可利用数据库技术优化数据收集和分析过程，便于大量开展碳排放量计算。参考文献：王庆一 能源数据 ，：王靖添，闫琰，黄全胜，等 中国交通运输碳减排潜力分析 科技管理研究，（）：，（）：涂圣文，赵振华，王冰，等 一种新型高速公路入口设计及其污染物减排效果分析 安全与环境学报，（）：，（）：卢传忠，华夏，解建光 公路维护养护碳减排模型研究 交通节能与环保，（）：，（）：，张南松，徐春清，蒋云昕 公路节能减排技术适宜性评价指标体系研究 绿色环保建材，（）：，（）：贡松多吉，海森，李望，等 公路隧道运营期能耗监测指标体系 地下空间与工程学报，（）：，（）：，李乔松，白云，李林 盾构隧道建造阶段低碳化影响因子与措施研究 现代隧道技术，（）：，（）：曹杨，纪洪广，周启明 掘进巷道爆破后排烟时间计算哈尔滨工业大学学报，（）：，（）：郭春，徐建峰，张佳鹏 隧道建设碳排放计算方法及预测模型 隧道建设（中英文），（）：，（）：（上接第 页），（）：，：余彬泉，陈传灿顶管施工技术 北京：人民交通出版社，：，魏纲，魏新江，徐日庆 顶管工程技术 北京：化学工业出版社，：，马保松，张雅春 曲线顶管技术及顶进力分析计算 岩土工程技术，（）：，（）：马龙飞，马保松 顶管顶进力计算方法综述与探究 特种结构，（）：，（）：张鹏，马保松，曾聪，等 基于管土接触特性的顶进力计算模型分析 岩土工程学报，（）：，（）：