盾构掘进施工分析

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1、 Basic Tutorials Chapter 4. 盾构掘进施工分析 |1 盾构掘进施工盾构掘进施工分析分析 1 学习目的及概要学习目的及概要 1.1 学习目的学习目的 隧道施工工法大体上可分为基于爆破的开挖施工法及机械式的开挖施工 法（TBM）。对于隧道开挖工程，随着城市道路交通密化，噪音/振动等污染 的严重化，城市设施维修的建设位置的深层化，以及地下建筑物的延长化等 的问题，在城市中心隧道工程中应用盾构及 TBM施工法的工程逐渐增多。 特别是，在浅埋的城市中心隧道的工程中，因 TBM开挖隧道引起周边地 表沉陷，以及对周边建筑及障碍物有一定的影响，因此必须在施工前对这种 影响作出预估。

2、通过本例题可以学习如下主要功能及分析方法。 盾构掘进隧道建模 输入荷载 设置施工阶段 分析结果逐施工阶段的位移变化趋势。 盾构掘进施工模式 图 Basic Tutorials 2 | Chapter 4. 盾构掘进施工分析分析 1.2 模型及分析概要模型及分析概要 本模型是在岩土内建立盾构掘进模型的简单例题。 用板单元模拟盾壳和注浆，管片和岩土用实体单元建模。盾构掘进开挖 时，假设 HP（掘进压力）、J（千斤顶推力）将在盾构掘进面上产生作用， 假设在围绕盾构的面上有 S（盾壳外压）及 E（管片外压）作用。 在本例学习中，使用的资料是简化过的，切以学习分析步骤为目，与实 际工程中的情况有可能不同

3、。 切面图 Basic Tutorials Chapter 4. 盾构掘进施工分析 |3 2 设置分析条件设置分析条件 启动附带的开始文件(04_tbm_start)。 *: 分析分析分析工况分析工况设置（设置（Analysis Analysis Case Setting） 首先，设置模型类型、重力方向及初始参数，确认分析中使用的单位制。 单位制可在建模过程及确定分析结果时修改，输入的参数将被自动换算成设 置的单位制。 本例题是以 Z 轴为重力方向的三维模型，单位制使用 SI 单位（kN，m）。 设置分析条件 Basic Tutorials 4 | Chapter 4. 盾构掘进施工分析分析

4、3 定义材料及特性定义材料及特性 3.1 定义岩土及结构材料定义岩土及结构材料 土层材料的模型类型选择莫尔-库伦（Mohr-Coulomb），结构材料选择 不考虑材料非线性的弹性（Elastic）模型。 各地层和结构使用的材料如下表。 单位 : kN, m 名称 土 管片 材料 各向同性 各向同性 模型类型 Mohr- Coulomb 弹性 一般 弹性模量(E) 1.3E+06 2.1E+07 泊松比(v) 0.30 0.30 容重(r) 19 24 K 0.5 1 多孔性材质 单位重量(饱和) 19 24 初始孔隙比(e0) 0.5 0.5 排水参数 排水 排水 非线性 粘聚力(C) 15

5、- 摩擦角 30 - 岩土材料参数表. 定义岩土材料-一 般 定义岩土材料-多 孔材料 定义岩土材料- 非线性 Basic Tutorials Chapter 4. 盾构掘进施工分析 |5 单位 :kN, m 名称 盾壳 注浆 材料 各向同性 各向同性 模型类型 弹性 弹性 弹性模量(E) 2.5E+08 1.0E+07 泊松比(v) 0.2 0.3 容重(r) 78 22.5 表. 结构材料 定义结构材料（钢 材） 定义结构材料(注浆) Basic Tutorials 6 | Chapter 4. 盾构掘进施工分析分析 3.2 定义定义属性属性 创建网格时，需要指定各网格组上分配的属性。在定

6、义岩土和结构的属 性时，首先需要选择材料。另外，在定义结构的属性时，需要定义结构构件 类型、截面形状等参数。 各岩土和结构材料的属性如下表。 单位 : kN, m 类型 土 管片 盾壳 注浆 类型 3D 3D 2D-板 2D-板 材料 土 管片 钢材 注浆 切面大小 - - TH=0.06 TH=0.06 表. 岩土特性 Basic Tutorials Chapter 4. 盾构掘进施工分析 |7 4 建模建模 本例题以管片，注浆单元的建模方法及施工阶段的设置为重点，从基本 的岩土/结构材料特性输入的启动文件上开始学习。 4.1 几何几何建模建模 *：几何：几何 顶点与曲线顶点与曲线 矩形矩形

7、 （Geometry Point & Curve Rectangle） 按矩形生成岩土区域。 在视图工具条上点击法向视图。 勾选生成面选项。 在开始位置上，输入0,0，按下“Enter”键。 在对角位置上，输入50,50后点击确认键。 *：几何：几何 顶点与曲线顶点与曲线 圆圆 （Geometry Point & Curve Circle） 画圆形成隧道截面的形状。 勾选生成面选项。 中心位置输入25,25，按下“Enter”键。 半径大小输入3.4后点击适用键。 中心位置输入25,25，按下“Enter”键。 半径的大小输入3.7后点击确认键。 *: 几何几何延伸延伸扩展（扩展（Geomet

8、ry Protrude Extrude） 采用生成的几何形状来创建实体。 选择生成的 3个的面。 方向指定为 Y方向（绿色）。 长度上输入20后勾选生成实体选项。 点击确认 键。 Basic Tutorials 8 | Chapter 4. 盾构掘进施工分析分析 *：几何：几何 曲面与实体曲面与实体 自动连接自动连接 (Geometry Surface & Solid Auto Connect) 是形成各实体之间的共享面的操作。 选择为目标形状（生成的 3个的实体）。 点击确认 键。 利用 F2 键，把工作目录树几何形状上生成的实体的名称分别修改为外 径、内径、岩土几何形状。 自动连接是自动生

9、成相邻实体之间共享面的功能。彼此相连的面或实体间需要布 尔运算操作时，可以通过点击自动连接键，轻松的创建共享面，这样可以把网格生成 前建模误差消除。 *：几何：几何 顶点与曲线顶点与曲线 矩形矩形 (Geometry Point & Curve Rectangle) 定义盾构开挖进尺长度。按面分割实体时，必须生成大于分割实体的面， 才能正常执行形状的布尔运算操作。 视图工具条视图模式(几何形状)选择线。 在视图工具条上点击法向视图。 勾选生成面选项。 创建略大于隧道形状的矩形（开挖进尺长度）。 建模几何形状 Basic Tutorials Chapter 4. 盾构掘进施工分析 |9 *: 几

10、何几何转换转换移动复制移动复制 (Geometry Transform Translate) 是把创建的开挖面，按开挖方向移动/复制的操作。 目标形状选择前一阶段上生成的面。 方向选择 Y方向。 方法指定为复制（均匀），距离、次数上分别输入1，19。 点击确认 键。 利用delete键，删除源面。 *: 几何几何分割分割实体实体 (Geometry Divide Solid) 是利用移动/复制的开挖面分割隧道的操作。因为相邻岩土的实体要共享 节点，所以在分割相邻面上选择地层实体。 创建面 创建掘进面 Basic Tutorials 10 | Chapter 4. 盾构掘进施工分析分析 目标实体

11、选择 外径、内径 实体。 选择滤波器变换成面后，按分割工具选择在前面生成的 19个的面。 勾选分割相邻面后，相邻面选择 岩土 实体。 点击确认 键。 在视图工具条上点击右侧视图。 在模型工作目录树几何形状形状组-1 上注册的内径实体后，利用 F2 键，修改形状名称使其具有从左向右的顺序名称。 用同样的方法，对 20外径实体，也利用 F2键来修改形状名称。 4.2 创建网格创建网格 *: 网格网格控制控制尺寸控制尺寸控制 (Mesh Control Size Ctrl.) 是预先指定网格大小的操作。为了生成网格的数量少且质量高，需预先 指定网格的大小。 在视图工具条上点击正视图。 选择有关内径、

12、外径 实体的边线。 方法指定为单元长度，网格尺寸输入1。 分割实体 分割的实体 Basic Tutorials Chapter 4. 盾构掘进施工分析 |11 点击预览键，确认是否正常的指定了种子的大小。 点击确认 键。 *: 网格网格生成生成3D (Mesh Generate 3D) 生成网格。创建三维网格的方法有自动-实体、映射-实体、2D3D 方式。 因为映射网格只按六面体形状生成单元，所以相对的两面的种子信息必须一 致才能生成单元。为此，GTS NX 提供基本的四面体和六面体单元的混合网 格形式，方便生成高质量单元。 指定为自动-实体选项。 目标形状选择 20个的内径实体。 尺寸输入

13、1。 指定为混合网格（六面体中心）。 勾选匹配相邻面。 属性选择1: soil。 网格组输入内径 后，点击适用键。 用同样的方法对 20 个的外径实体也生成网格组，这里外径网格即为的 管片。 岩土地层，尺寸上输入4后生成网格组。 指定种子大小 确认指定的种子 大小 Basic Tutorials 12 | Chapter 4. 盾构掘进施工分析分析 *：网格：网格单元单元析取（析取（Mesh Element Extract） 删除勾选工作目录树网格，设置屏幕上不显示网格。 在工作目录树几何形状上，只勾选 20个的外径实体显示在屏幕上。 在视图工具条上点击正面视图。 在网格单元析取上，种类选择面

14、。 目标选择有关 外径实体的面(200个)。 特性指定为3:Steel” 。 网格组名称上输入盾壳。 勾选忽略重复面选项和 基于所属形状独立注册 选项。 点击确认键。 *：网格网格单元单元删除删除 （Mesh Element Delete） 是利用删除单元功能清除不使用的单元的操作。 在视图工具条上点击右视图。 选择下图的前面部分和后面部分的各单元。 外径网格 内径网格 岩土网格 析取子单元 Basic Tutorials Chapter 4. 盾构掘进施工分析 |13 点击适用 键。 在视图工具条上点击正视图。 选择内部生成的各单元后点击确认键。(在选择工具条上选择方法若选 择多边形()，则

15、可以轻松的选择内部区域。 *：网格：网格网格组网格组重命名（重命名（Mesh Mesh Set Rename） 是修改网格组名称的操作。 在 GTSNX 中，使用施工阶段助手可以便捷地定义施工阶段。但是在这 个过程中需要注意网格名称的规则性，因此在这个操作对网格的名称规则化。 首先修改有关隧道的网格组名称。 在左侧工作目录树上，选择所有网格网格组外径。 排列顺序指定为整体正交坐标系，1st指定为 Y。 输出标准选择递增排序，名称输入外径#，后缀起始号输入 1。 点击适用键。 在左侧工作目录树上，选择所有网格网格组 内径。 排列顺序指定为整体正交坐标系，1st指定为 Y。 输出标准选择递增排序，名称输入内径#，后缀起始号输入 1。 点击适用 键。 在左侧工作目录树上选择所有网格网格组 盾壳。 排列顺序指定为整体正交坐标