¿Análisis de la presión del suelo alrededor del escudo EPB?
Tránsito ferroviario urbano, túneles de protección, presión del terreno, cálculos de simulación En comparación con las pruebas de simulación y el monitoreo de ingeniería real, el uso de computadoras para predecir la mecánica de proyectos reales ahorra tiempo y dinero. Por lo tanto, los métodos de cálculo numérico como el elemento finito y la diferencia finita ocupan una posición importante en el campo de la tecnología de la ingeniería, y han aparecido muchos programas de cálculo excelentes en el campo de la ingeniería geotécnica. Durante el proceso de monitoreo in situ, solo se puede monitorear un número limitado de puntos en el suelo alrededor del escudo y se desconoce la presión del suelo fuera de los puntos de medición. Además, hay seis componentes de tensión en cualquier punto del suelo, a saber, σ x, σ y, σ z, τ xy, τ yz y τxz; sin embargo, en el proceso de monitoreo real, debido a limitaciones de los medios técnicos, es; imposible controlar completamente un determinado estado de estrés. Por ejemplo, los métodos existentes no pueden monitorear la presión del suelo directamente debajo de un escudo porque los sensores no se pueden enterrar en el suelo directamente debajo del escudo. En este caso, para la presión del suelo horizontal que no se puede medir en un punto determinado, la presión del suelo en estos puntos ciegos se puede calcular mediante simulación numérica. Por lo tanto, es necesario simular los cambios en la presión o tensión del suelo en varios puntos alrededor del escudo durante el proceso de excavación del túnel para aclarar la distribución de tensiones en varios puntos alrededor del escudo. 1 Cálculo numérico del campo de tensión Este artículo toma como ejemplo el túnel protector desde la estación Binzhou Road hasta la estación Chengshan Road de la línea 6 de tránsito ferroviario de Shanghai. Para comprobar la fiabilidad de los cálculos, también se realizó un seguimiento real. Durante el cálculo, se utilizó el software FLAC3D para simular el proceso de construcción del túnel de escudo de intervalo, simular los cambios en la presión del suelo alrededor del escudo durante el proceso de excavación continua y comparar los resultados del cálculo con los datos medidos. El software FLAC3D es un programa tridimensional de diferencias finitas desarrollado por Itasca Company en Estados Unidos. Utiliza un esquema explícito de diferencias finitas para resolver las ecuaciones diferenciales que rigen el campo y aplica un modelo discreto de elementos híbridos para simular con precisión la fluencia, el flujo plástico, el ablandamiento y la gran deformación de los materiales. Especialmente en el análisis elástico-plástico y el análisis de grandes deformaciones de materiales, este programa puede simular bien el comportamiento mecánico de falla o flujo plástico cuando el material de la formación alcanza el límite de resistencia o límite de fluencia. Se utiliza en ingeniería geotécnica, especialmente en ingeniería subterránea. túneles. Ha sido ampliamente utilizado en cálculos de simulación. La Figura 1 muestra la malla de diferencias finitas para este cálculo numérico. Según la simetría, el área calculada es la mitad del escudo y el túnel. Hay 47.600 elementos hexaédricos de 8 nodos en la malla. La línea del círculo negro en la figura representa el plano donde se encuentra el punto de medición. En los cálculos se utilizó un modelo no lineal de Mohr-Coulomb.
Condiciones geológicas 1.1 Las capas de suelo atravesadas por la construcción del túnel de escudo son: 32 limo arcilloso gris, 33 arcilla limosa gris, 41 arcilla limosa gris, ⑤1-1 arcilla limosa gris, ⑤1-2 arcilla limosa gris. 1.2 Calcule el estado tensional inicial. Primero, se calcula el campo de tensiones inicial. De acuerdo con las características del software de diferencias finitas FLAC3D, el modelo elástico lineal se utiliza primero para el cálculo. Una vez que el modelo de cálculo alcanza el estado de equilibrio inicial, la relación constitutiva se cambia al modelo de Mohr-Coulomb. El modelo tiene una superficie de fluencia hexagonal equilátera en el espacio de tensión principal. Después del cambio constitutivo, el software continúa iterando basándose en el cálculo elástico hasta que se alcanza nuevamente el estado de equilibrio, en este momento la iteración se detiene y se obtiene el campo de tensión inicial, como se muestra en la Figura 2;
2. Simulación continua de excavación de escudos: cada vez que la máquina de escudos avanza un paso, la distancia de avance es de 1,2 m y se producen los siguientes cambios. 1) Cambio de material de unidad: la superficie de excavación avanza 1,2 m, la unidad de suelo de excavación en esta sección se convierte en una unidad vacía y un círculo de unidades de carcasa de acero en la cola del escudo se reemplaza con unidades vacías para simular la cavidad de la cola del escudo. 2) Simulación de tensión del suelo circundante: el avance del escudo es gradual, mientras que el entorno estratigráfico es relativamente estático. Para adaptarse a la capa de suelo estacionaria y reflejar el movimiento del escudo, se debe simplificar la malla de elementos finitos. Este artículo realiza las siguientes simplificaciones: suponga que la propulsión del escudo es de tipo salto y que la longitud de cada propulsión (dirección del eje Y) es exactamente el ancho unitario de un segmento. El avance del escudo se refleja cambiando el tipo de material de la unidad. Durante el primer proceso de avance, el estado de tensión del suelo alrededor del escudo también cambia. Este cambio se convierte en las cargas de nodo correspondientes que actúan sobre los nodos y se realizan cálculos de elementos finitos. Aplique una presión radial de 0,3 MPa a la unidad de suelo periférica de la primera unidad de anillo en la cola del escudo en el paso anterior para simular el impacto de la presión de la lechada en el suelo circundante. El desplazamiento de los nodos que apunta en la dirección de avance del escudo actúa sobre los nodos unitarios en la parte trasera de la nueva carcasa del escudo, y al mismo tiempo se calcula la suma de las fuerzas de reacción en todos los nodos unitarios en la superficie de trabajo. La suma de las fuerzas de reacción en este nodo debe ser igual a la diferencia entre el empuje del escudo y la fuerza de fricción de la carcasa del escudo. Si la suma de las fuerzas de reacción es mayor que la diferencia, el valor de desplazamiento agregado al nodo de la superficie de trabajo se reduce; de lo contrario, el valor de desplazamiento aumenta hasta que se encuentre una carga calificada; Este desplazamiento razonable se agrega a la superficie de trabajo para simular el empuje hacia adelante del escudo y luego se inicia el cálculo iterativo de diferencias finitas. Mediante el cálculo de diferencias finitas, se calcula el cambio de presión del suelo en un punto específico durante el avance del escudo de 30 anillos (***36m). Los valores de presión del suelo calculados y medidos en los tres puntos de medición directamente encima del escudo se muestran en las Figuras 3 y 4. Los valores de presión del suelo calculados en los tres puntos de medición directamente debajo del escudo se muestran en la Figura 5.
Las figuras 3 y 5 son respectivamente los valores de presión del suelo calculados por el software de diferencias finitas FLAC3D.
Las curvas en la figura están conectadas por líneas horizontales. Cada línea horizontal representa un paso de excavación, y la longitud del paso de cada paso de excavación es la longitud de un segmento de ciclo (1,2 m) la curva completa representa la presión del suelo en ese punto durante; el proceso de tunelización del escudo. La Figura 4 es el valor real de presión del suelo monitoreado y sus puntos de medición corresponden a los puntos de cálculo en la Figura 3. La Figura 3 muestra que las tendencias cambiantes de los valores calculados y medidos están en línea con las reglas generales. Es decir, antes de que llegue el escudo, la presión del suelo directamente encima del escudo aumentará, y después de que el escudo alcance o pase una cierta distancia, la presión del suelo disminuirá. Esto muestra que los cálculos de este artículo son consistentes con la realidad de la ingeniería. La Figura 5 muestra los cambios en la presión del suelo en tres puntos directamente debajo del escudo. Dado que los sensores no pueden enterrarse en el suelo directamente debajo del escudo, la presión del suelo en estos puntos ciegos se calcula mediante simulaciones numéricas. Conclusión Este artículo utiliza FLAC3D, un software especial para ingeniería geotécnica, para realizar cálculos de simulación por computadora en túneles de escudo, calcular en detalle los cambios dinámicos en la presión del suelo durante la construcción de túneles de escudo y comparar los resultados calculados con los resultados medidos. A través del análisis y cálculo de este artículo, se pueden sacar las siguientes conclusiones: 1) La tendencia cambiante de los valores calculados de presión del suelo es consistente con los valores medidos y se ajusta a las reglas generales. Es decir, tiende a aumentar antes de que llegue el escudo y a disminuir después de que el escudo alcanza o pasa una cierta distancia. Esto muestra que los cálculos de este artículo son consistentes con la realidad de la ingeniería. 2) La presión del suelo en el suelo directamente debajo del escudo no se puede monitorear porque el sensor no se puede enterrar en el suelo directamente debajo del escudo. Mediante simulación numérica, se encontró que antes de que el escudo alcance el punto de medición aproximadamente 10 m, la presión del suelo en estos puntos de medición comienza a aumentar gradualmente aproximadamente 3,5 m antes de que el escudo alcance el punto de medición, la presión del suelo en el punto de medición comienza a aumentar; disminuir. Aproximadamente 2,5 m después de que el escudo pasó el punto de medición, la presión del suelo en el punto de medición comenzó a aumentar nuevamente, aproximadamente 15 m después de que el escudo pasó el punto de medición, la presión del suelo en el punto de medición se estabilizó gradualmente; 3) Los resultados calculados de la presión del suelo concuerdan con los resultados reales medidos en términos de tendencia general, lo que indica que el proceso de modelado y el método de cálculo en este artículo son correctos y razonables. Referencias [1] Xu Yongfu, Sun Jun, Fu Deming. Análisis de perturbaciones en la construcción del escudo del túnel turístico Bund [J Chinese Journal of Civil Engineering, 2002, 35(2):70. [2] Zhang Houmei. Prueba de túneles con escudo EPB e investigación de modelos matemáticos [J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005 (edición complementaria.
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