1.研究背景

        隧道開挖可能會造成嚴重的地表沉降，從而導致地面建筑物和人民的財產損失。因此研究隧道的開挖過程對附近建筑物的安全至關重要。同時研究刀盤的推力和扭矩能有效地控制開挖速度，保證隧道的安全施工。

        隧道開挖時，土體發生了顯著的變形，傳統的小變形由于嚴重的網格畸變無法模擬土體的大變形過程，因此采用耦合的歐拉朗格朗日大變形有限元方法（CEL）。

 

圖1：盾構機實物圖

2.模型幾何參數

        如圖2所示，隧道直徑D = 6 m，埋深（土表面到隧道中心）H = 1.5 D ，刀盤的開孔率0.25，刀盤前進速度v = 0.05 m/s，刀盤轉速w = 0.2 rad/s。安裝后的初始模型如圖3所示。

圖2：刀盤、襯砌和土體的模型

 

圖3：安裝后的初始模型

 

 

3.材料參數

        有限元模型如圖4所示，其中材料參數如下：

（1）土體采用摩爾庫倫彈塑性材料，黏聚力5 kPa，摩擦角25°，彈性模量100 Mpa，泊松比0.3，密度1600 kg/m³；

（2）刀盤采用彈性材料，彈性模量200 Gpa，泊松比0.3；

（3）襯砌采用彈性材料，彈性模量2.3 Gpa，泊松比0.15。

 

圖4：隧道開挖的有限元模型

 

4.結果分析

（1）土體變形

        不同時刻t，不同開挖距離L時，土體的變形如圖5。土體發生了嚴重的變形，從刀盤的開口處流入圓形的襯砌。CEL方法能有效地模擬開挖過程中土體的大變形。

圖5：隧道開挖的過程和土體的變形

 

 

（2）刀盤推力和扭矩

        開挖過程中刀盤的推力和扭矩隨開挖時間如圖6和7所示。隨著隧道的開挖，刀盤的推理和扭矩逐漸增大，并最終達到一個穩定值，最終的的推力約為25 MN，扭矩2.5MN?m。計算得到的推力和扭矩，可以為實際工程的施工提供參考，有效地控制開挖速度，避免開挖造成顯著的地表沉降。

圖6：刀盤的推力隨開挖時間的變化過程

 

圖7：刀盤的扭矩隨開挖時間的變化過程

5.結論

（1）CEL大變形有限元方法可以模擬隧道開挖的整個過程，能有效地模擬開挖過程中土體的大變形；

（2）CEL大變形方法可以計算盾構機開挖過程中刀盤的推力和扭矩，能為實際工程提供參考，有效地控制盾構機的開挖速度，避免隧道發生坍塌。

5.硬件與計算時常分析

（1）計算機配置：整個CEL大變形分析是在DELL工作站上進行，配置為3.7 GHz 主頻Intel Xeon W-2255 CPU，128G memory。

（2）計算時間：CEL模型中有964712三維八節點歐拉單元，整個計算時間大概12h.