专业论文 | 隧道开挖过程的CEL三维大变形有限元模拟

作者：陈学俭

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）。

盾构机实物图

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

有限元模型如图所示，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5kPa，摩擦角25°，弹性模量100MPa，泊松比0.3，密度1600kg/m3；

2. 刀盘采用弹性材料，弹性模量200GPa，泊松比0.3；

3. 衬砌采用弹性材料，弹性模量2.3GPa，泊松比0.15。

隧道开挖的有限元模型

不同时刻t，不同开挖距离L时，土体的变形如下图。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。

隧道开挖的过程和土体的变形

开挖过程中刀盘的推力和扭矩随开挖时间如下图所示。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25MN，扭矩2.5MN m。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。

刀盘的推力随开挖时间的变化过程

刀盘的扭矩随开挖时间的变化过程

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。