1.研究背景

        隧道开挖可能会造成严重的地表沉降，从而导致地面建筑物和人民的财产损失。因此研究隧道的开挖过程对附近建筑物的安全至关重要。同时研究刀盘的推力和扭矩能有效地控制开挖速度，保证隧道的安全施工。

        隧道开挖时，土体发生了显著的变形，传统的小变形由于严重的网格畸变无法模拟土体的大变形过程，因此采用耦合的欧拉朗格朗日大变形有限元方法（CEL）。

 

图1：盾构机实物图

2.模型几何参数

        如图2所示，隧道直径D = 6 m，埋深（土表面到隧道中心）H = 1.5 D ，刀盘的开孔率0.25，刀盘前进速度v = 0.05 m/s，刀盘转速w = 0.2 rad/s。安装后的初始模型如图3所示。

图2：刀盘、衬砌和土体的模型

 

图3：安装后的初始模型

 

 

3.材料参数

        有限元模型如图4所示，其中材料参数如下：

（1）土体采用摩尔库伦弹塑性材料，黏聚力5 kPa，摩擦角25°，弹性模量100 Mpa，泊松比0.3，密度1600 kg/m³；

（2）刀盘采用弹性材料，弹性模量200 Gpa，泊松比0.3；

（3）衬砌采用弹性材料，弹性模量2.3 Gpa，泊松比0.15。

 

图4：隧道开挖的有限元模型

 

4.结果分析

（1）土体变形

        不同时刻t，不同开挖距离L时，土体的变形如图5。土体发生了严重的变形，从刀盘的开口处流入圆形的衬砌。CEL方法能有效地模拟开挖过程中土体的大变形。

图5：隧道开挖的过程和土体的变形

 

 

（2）刀盘推力和扭矩

        开挖过程中刀盘的推力和扭矩随开挖时间如图6和7所示。随着隧道的开挖，刀盘的推理和扭矩逐渐增大，并最终达到一个稳定值，最终的的推力约为25 MN，扭矩2.5MN۰m。计算得到的推力和扭矩，可以为实际工程的施工提供参考，有效地控制开挖速度，避免开挖造成显著的地表沉降。

图6：刀盘的推力随开挖时间的变化过程

 

图7：刀盘的扭矩随开挖时间的变化过程

5.结论

（1）CEL大变形有限元方法可以模拟隧道开挖的整个过程，能有效地模拟开挖过程中土体的大变形；

（2）CEL大变形方法可以计算盾构机开挖过程中刀盘的推力和扭矩，能为实际工程提供参考，有效地控制盾构机的开挖速度，避免隧道发生坍塌。

5.硬件与计算时常分析

（1）计算机配置：整个CEL大变形分析是在DELL工作站上进行，配置为3.7 GHz 主频Intel Xeon W-2255 CPU，128G memory。

（2）计算时间：CEL模型中有964712三维八节点欧拉单元，整个计算时间大概12h.