基于離散元的砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工：顆粒流動(dòng)與地表沉降控制的深度剖析1.緒論1.1研究背景與意義1.1.1砂卵石地層盾構(gòu)施工的挑戰(zhàn)隨著城市化進(jìn)程的加速，城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用愈發(fā)重要，盾構(gòu)法作為一種高效、安全的隧道施工方法，在地鐵、市政隧道等工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)盾構(gòu)施工穿越砂卵石地層時(shí)，面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。砂卵石地層的顆粒之間孔隙大，且缺乏粘聚力，這使得地層結(jié)構(gòu)極為松散。在盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)切削的過(guò)程中，極易引發(fā)地層坍塌事故。以成都地鐵某號(hào)線施工為例，在穿越砂卵石地層時(shí)，由于地層的松散特性，多次出現(xiàn)掌子面坍塌現(xiàn)象，導(dǎo)致施工被迫中斷，不僅延誤了工期，還大幅增加了工程成本。此外，圍巖擾動(dòng)問(wèn)題也十分突出。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)周圍土體的擠壓、剪切等作用，會(huì)使砂卵石地層的原有應(yīng)力平衡遭到破壞，進(jìn)而引發(fā)較大范圍的圍巖變形。這種變形不僅會(huì)影響隧道的穩(wěn)定性，還可能對(duì)周邊建筑物、地下管線等造成嚴(yán)重的損害。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，因圍巖擾動(dòng)導(dǎo)致周邊建筑物出現(xiàn)裂縫、傾斜等問(wèn)題的案例屢見(jiàn)不鮮，給工程安全和周邊環(huán)境帶來(lái)了極大的威脅。同時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重也是砂卵石地層盾構(gòu)施工中不容忽視的問(wèn)題。砂卵石的硬度較高，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，刀具與砂卵石頻繁摩擦，使得刀具磨損速度加快。這不僅增加了刀具更換的頻率和成本，還會(huì)影響施工進(jìn)度。例如，在蘭州地鐵某號(hào)線施工中，盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，刀具的磨損量遠(yuǎn)超預(yù)期，不得不頻繁停機(jī)更換刀具，導(dǎo)致施工效率大幅降低。此外，渣土改良困難、地表沉降控制難度大等問(wèn)題也給砂卵石地層盾構(gòu)施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。渣土改良效果不佳會(huì)導(dǎo)致渣土的流動(dòng)性和可塑性差，影響盾構(gòu)機(jī)的排土效率和土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定；而地表沉降控制不當(dāng)則可能引發(fā)地面塌陷、道路開(kāi)裂等嚴(yán)重后果，對(duì)城市交通和居民生活造成不利影響。1.1.2離散元方法應(yīng)用的必要性離散元方法作為一種能夠有效模擬顆粒材料力學(xué)行為的數(shù)值分析方法，在解決砂卵石地層盾構(gòu)施工問(wèn)題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。離散元方法可以真實(shí)地模擬砂卵石顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用。它將砂卵石地層視為由離散的顆粒組成，每個(gè)顆粒都被看作是一個(gè)獨(dú)立的單元，通過(guò)建立顆粒之間的接觸模型和力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，能夠準(zhǔn)確地描述顆粒在盾構(gòu)施工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡、碰撞、摩擦等行為。與傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法相比，離散元方法能夠更直觀地反映砂卵石地層的非連續(xù)性和顆粒特性，為深入研究盾構(gòu)施工過(guò)程中地層的力學(xué)響應(yīng)提供了有力的工具。離散元方法可以模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中的大變形和破壞現(xiàn)象。在砂卵石地層盾構(gòu)施工中，地層的變形和破壞往往呈現(xiàn)出非線性和不連續(xù)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的數(shù)值方法難以準(zhǔn)確描述。而離散元方法允許顆粒之間發(fā)生大位移、轉(zhuǎn)動(dòng)和分離，能夠很好地模擬地層在盾構(gòu)施工過(guò)程中的坍塌、破碎等破壞現(xiàn)象，從而為預(yù)測(cè)施工風(fēng)險(xiǎn)、制定合理的施工方案提供依據(jù)。離散元方法還可以與其他數(shù)值方法（如有限元法、邊界元法等）進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程的多物理場(chǎng)、多尺度模擬。通過(guò)耦合不同的數(shù)值方法，可以綜合考慮盾構(gòu)施工過(guò)程中的力學(xué)、滲流、溫度等多種因素的相互作用，更全面地分析盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，為工程設(shè)計(jì)和施工提供更科學(xué)的指導(dǎo)。離散元方法在解決砂卵石地層盾構(gòu)施工問(wèn)題方面具有不可替代的作用，能夠?yàn)槎軜?gòu)施工的安全、高效進(jìn)行提供重要的技術(shù)支持。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖研究進(jìn)展在砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了豐碩的成果。國(guó)外方面，一些發(fā)達(dá)國(guó)家較早開(kāi)展了相關(guān)研究。例如，日本在盾構(gòu)施工技術(shù)方面一直處于世界前列，其學(xué)者通過(guò)大量的工程實(shí)踐和理論分析，對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中的土壓平衡控制、刀具磨損等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。他們提出了一系列先進(jìn)的施工技術(shù)和設(shè)備改進(jìn)方案，如優(yōu)化刀盤設(shè)計(jì)、采用新型刀具材料等，有效提高了盾構(gòu)在砂卵石地層中的施工效率和安全性。美國(guó)的研究則側(cè)重于盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，分析盾構(gòu)開(kāi)挖引起的地層變形、地表沉降等問(wèn)題，建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型和控制標(biāo)準(zhǔn)，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了重要依據(jù)。在國(guó)內(nèi)，隨著城市地鐵建設(shè)的大規(guī)模開(kāi)展，砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖研究也得到了高度重視。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)針對(duì)砂卵石地層的特點(diǎn)，開(kāi)展了廣泛而深入的研究工作。在渣土改良方面，學(xué)者們研究了不同改良劑對(duì)砂卵石渣土的改良效果，提出了適合砂卵石地層的渣土改良方案。例如，通過(guò)添加膨潤(rùn)土、泡沫等改良劑，改善渣土的流動(dòng)性和可塑性，提高盾構(gòu)機(jī)的排土效率和土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定性。對(duì)于刀具磨損問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，分析了刀具磨損的機(jī)理和影響因素，提出了刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)和更換策略。如采用高強(qiáng)度、高耐磨性的刀具材料，合理設(shè)計(jì)刀具的形狀和布置方式，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。在地表沉降控制方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了盾構(gòu)施工引起地表沉降的規(guī)律和影響因素，提出了一系列有效的地表沉降控制措施。如優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)、加強(qiáng)同步注漿等，減少地表沉降對(duì)周邊環(huán)境的影響。盡管國(guó)內(nèi)外在砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖研究方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足之處。例如，對(duì)砂卵石地層的顆粒流動(dòng)特性研究還不夠深入，缺乏針對(duì)盾構(gòu)機(jī)真實(shí)掘進(jìn)過(guò)程的全面模擬；在渣土改良和刀具磨損等問(wèn)題上，還需要進(jìn)一步探索更加有效的解決方案；對(duì)于盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的長(zhǎng)期影響，也需要開(kāi)展更多的研究工作。未來(lái)，隨著工程實(shí)踐的不斷積累和技術(shù)的不斷進(jìn)步，砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖研究將朝著更加精細(xì)化、智能化的方向發(fā)展。1.2.2離散單元法在巖土工程的研究現(xiàn)狀與展望離散單元法自20世紀(jì)70年代被提出以來(lái)，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。在邊坡工程中，離散單元法能夠考慮邊坡失穩(wěn)破壞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，允許巖塊之間存在滑動(dòng)、平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和巖體的斷裂等復(fù)雜現(xiàn)象，從而較為真實(shí)地模擬邊坡在形成和開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力、位移和變形狀態(tài)的變化及破壞過(guò)程。通過(guò)離散單元法模擬，可以直觀地觀察到邊坡在不同工況下的破壞模式，為邊坡穩(wěn)定性分析和防護(hù)措施的制定提供有力依據(jù)。在采礦、地下開(kāi)挖和隧道工程方面，由于節(jié)理巖體中的各種地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形破壞強(qiáng)烈地受節(jié)理不連續(xù)面的影響和控制，而離散單元法特別適合于富含節(jié)理弱面和大變形的工程問(wèn)題，因此在這些領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在隧道施工模擬中，離散單元法可以模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)周圍巖體的擾動(dòng)，分析隧道圍巖的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的坍塌等問(wèn)題，為隧道施工安全提供保障。在巖體動(dòng)力學(xué)和地震工程中，離散單元法也成為研究巖體或巖石結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的重要手段。通過(guò)離散單元法模擬，可以研究節(jié)理巖體在爆炸載荷或地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，合理地評(píng)價(jià)巖體工程的動(dòng)力穩(wěn)定性以及加固治理工程的可靠性。目前離散單元法在巖土工程中的應(yīng)用仍存在一些局限性。離散單元法的計(jì)算效率較低，對(duì)于大規(guī)模的巖土工程問(wèn)題，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)；離散單元法的參數(shù)標(biāo)定較為困難，需要通過(guò)大量的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定合理的參數(shù)值；離散單元法與其他物理場(chǎng)的耦合還不夠完善，在考慮巖土工程中的滲流、溫度等多物理場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，還需要進(jìn)一步的研究和發(fā)展。未來(lái)離散單元法在巖土工程中的發(fā)展具有廣闊的前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算效率將不斷提高，離散單元法將能夠處理更加復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題。離散單元法與其他數(shù)值方法（如有限元法、邊界元法等）的耦合將更加緊密，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)、多尺度的綜合模擬，為巖土工程的設(shè)計(jì)和施工提供更加全面、準(zhǔn)確的分析手段。離散單元法的參數(shù)標(biāo)定方法也將不斷改進(jìn)，通過(guò)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)標(biāo)定和優(yōu)化，提高離散單元法的應(yīng)用精度和可靠性。1.3研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究旨在基于離散元方法，深入剖析砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表沉降的有效控制，主要研究?jī)?nèi)容如下：砂卵石地層特性與離散元參數(shù)標(biāo)定：對(duì)砂卵石地層的顆粒分布特性、松散系數(shù)等物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)定與分析。通過(guò)室內(nèi)大直徑試樣三軸壓縮試驗(yàn)，獲取砂卵石地層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合離散元三軸數(shù)值試驗(yàn)，依據(jù)細(xì)（微）觀參數(shù)標(biāo)定的原則，精確標(biāo)定離散元數(shù)值模擬所需的細(xì)觀參數(shù)，建立起宏觀參數(shù)與細(xì)觀參數(shù)之間的定量關(guān)系，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的參數(shù)依據(jù)。盾構(gòu)機(jī)模型建立與離散元模擬實(shí)現(xiàn)：以蘭州地鐵盾構(gòu)為原型，利用三維建模軟件，如Soildworks，精確建立面板式刀盤盾構(gòu)和輻條式刀盤盾構(gòu)的三維機(jī)械模型，詳細(xì)模擬盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和部件，包括刀盤、螺旋輸送機(jī)、盾體等。將建立好的盾構(gòu)三維機(jī)械模型導(dǎo)入離散元軟件EDEM中，構(gòu)建盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的砂卵石顆粒離散元三維模型，為模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)和地層響應(yīng)提供平臺(tái)。面板式刀盤盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)及地表沉降模擬：設(shè)定不同的隧道覆土厚度，如1.5D（D為盾構(gòu)直徑）和1.0D等典型工況，對(duì)面板式刀盤盾構(gòu)在砂卵石地層中的掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)模擬，深入分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的受力情況，包括刀盤扭矩、推力等；研究土體的位移變化，如土體的水平位移和豎向位移；觀察顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，分析顆粒的流動(dòng)特性；評(píng)估刀具磨損情況，研究刀具磨損的機(jī)理和規(guī)律。同時(shí)，分析盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為盾構(gòu)施工參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。輻條式刀盤盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)及地表沉降模擬：同樣針對(duì)輻條式刀盤盾構(gòu)，在相同的隧道覆土厚度工況下，開(kāi)展離散元數(shù)值模擬研究。系統(tǒng)分析輻條式刀盤盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)的受力、位移、顆粒運(yùn)動(dòng)和刀具磨損等特性，并與面板式刀盤盾構(gòu)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同刀盤形式對(duì)盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)和地表沉降的影響規(guī)律，為盾構(gòu)機(jī)刀盤的選型和設(shè)計(jì)提供參考。地表沉降控制措施研究：基于離散元模擬結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，深入研究砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工地表沉降的控制措施。探討優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，如土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速度、注漿量等對(duì)地表沉降的影響；研究渣土改良技術(shù)，如添加改良劑的種類和用量對(duì)顆粒流動(dòng)和地表沉降的控制效果；分析同步注漿工藝，如注漿材料、注漿時(shí)間和注漿壓力等對(duì)減少地表沉降的作用機(jī)制。通過(guò)綜合研究，提出一套切實(shí)可行的地表沉降控制方案，為砂卵石地層盾構(gòu)施工的安全和順利進(jìn)行提供保障。1.3.2技術(shù)路線本研究采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的技術(shù)路線，具體步驟如下：資料收集與理論分析：廣泛收集國(guó)內(nèi)外砂卵石地層盾構(gòu)施工的相關(guān)資料，包括工程案例、研究成果等，深入分析砂卵石地層的特性、盾構(gòu)施工的難點(diǎn)以及離散元方法在巖土工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀。通過(guò)理論分析，明確砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)和地表沉降的影響因素，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)。模型建立與參數(shù)標(biāo)定：根據(jù)砂卵石地層的特性和盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用三維建模軟件建立盾構(gòu)機(jī)的三維機(jī)械模型，并將其導(dǎo)入離散元軟件EDEM中，建立盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的砂卵石顆粒離散元三維模型。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)，標(biāo)定離散元模型的細(xì)觀參數(shù)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映砂卵石地層的力學(xué)行為和盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)特性。數(shù)值模擬分析：運(yùn)用標(biāo)定好的離散元模型，對(duì)面板式刀盤盾構(gòu)和輻條式刀盤盾構(gòu)在不同隧道覆土厚度工況下的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。分析盾構(gòu)施工過(guò)程中的受力、位移、顆粒運(yùn)動(dòng)和刀具磨損等情況，研究盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律。對(duì)比不同刀盤形式和施工工況下的模擬結(jié)果，總結(jié)砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)和地表沉降的影響規(guī)律?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與驗(yàn)證：以蘭州地鐵1號(hào)線為依托工程，對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，包括土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速度、地表沉降等參數(shù)的監(jiān)測(cè)。將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)離散元模型和施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提高模型的精度和施工的安全性?？刂拼胧┭芯颗c方案制定：基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工地表沉降的控制措施。通過(guò)優(yōu)化施工參數(shù)、改良渣土和改進(jìn)同步注漿工藝等方法，提出一套有效的地表沉降控制方案。對(duì)控制方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，評(píng)估其對(duì)地表沉降的控制效果，不斷完善和優(yōu)化控制方案，為砂卵石地層盾構(gòu)施工提供技術(shù)支持。2.相關(guān)理論與方法2.1離散單元法基本原理2.1.1起源與發(fā)展離散單元法（DiscreteElementMethod，DEM）一般認(rèn)為是Cundall于1971年提出來(lái)的，它最初是為了研究具有裂隙節(jié)理的巖體而被提出。當(dāng)時(shí)，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法在處理巖體中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面（如斷層、節(jié)理、裂縫等）時(shí)存在較大的局限性，難以準(zhǔn)確描述巖體的力學(xué)行為和變形破壞過(guò)程。離散單元法的出現(xiàn)，為解決這類非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題提供了新的思路和方法。在其發(fā)展初期，離散單元法主要應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，用于分析邊坡失穩(wěn)、圍巖穩(wěn)定等問(wèn)題。1978年，Main和Cundall等進(jìn)一步改進(jìn)了原來(lái)的剛體離散元模型，考慮了巖塊自身的變形，提出了可變形塊體模型的通用程序UDEC（Universaldiscreteelementcode），并將其推廣至模擬巖塊破碎和爆炸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，使得離散單元法的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步拓展。同一時(shí)期，Cundall與Straek等還開(kāi)發(fā)了二維圓形塊體的Ball程序，用于研究顆粒介質(zhì)的力學(xué)行為，所得結(jié)果與Drescher等人用光彈技術(shù)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合，這使離散單元法名聲大振，并為研究顆粒散體介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系開(kāi)辟了一條新途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，離散單元法的計(jì)算效率和精度不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從巖土工程拓展到礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、制藥、建筑等多個(gè)行業(yè)。在礦業(yè)中，離散單元法被用于模擬礦石破碎、運(yùn)輸和堆積過(guò)程，幫助優(yōu)化礦山設(shè)計(jì)和操作；在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，可用于分析種子、土壤和肥料的行為，提高播種和施肥的效率；在制藥行業(yè)，被用于顆粒流動(dòng)和混合過(guò)程的研究，確保藥物的均勻性和有效性；在建筑領(lǐng)域，用于模擬混凝土、砂石等建筑材料的流動(dòng)和堆積，優(yōu)化施工過(guò)程。近年來(lái)，離散單元法與其他數(shù)值方法（如有限元法、邊界元法、計(jì)算流體力學(xué)等）的耦合應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)耦合不同的數(shù)值方法，可以綜合考慮多物理場(chǎng)、多尺度的相互作用，更全面地分析復(fù)雜工程問(wèn)題，為工程設(shè)計(jì)和施工提供更科學(xué)的指導(dǎo)。例如，在盾構(gòu)施工模擬中，將離散單元法與有限元法耦合，可以同時(shí)考慮盾構(gòu)機(jī)與周圍土體的相互作用以及土體的力學(xué)響應(yīng)，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。2.1.2基本原理離散單元法的基本思想是將研究對(duì)象劃分為一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元，對(duì)于散體顆粒體系，將單個(gè)顆粒（圓盤或球體）作為一個(gè)單元；對(duì)于巖石體系，將單個(gè)多邊形塊體作為一個(gè)單元。這些單元之間通過(guò)點(diǎn)、面或者邊進(jìn)行連接，單元可以平移、轉(zhuǎn)動(dòng)或者變形。節(jié)理面可以被壓縮、分離或滑動(dòng)，所有單元相互鏤嵌排列。當(dāng)給定單元一個(gè)外力或者邊界位移約束時(shí)，各個(gè)單元在邊界的干擾下就會(huì)產(chǎn)生力和力矩的作用。根據(jù)牛頓第二定律，可得到各個(gè)單元的加速度，然后對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，便可依次求出單元的位移和速度，最終得到單元的變形量。單元的位移矢量方向會(huì)相應(yīng)被調(diào)整，這樣又會(huì)產(chǎn)生新的力和力矩的作用，如此循環(huán)，直到所有的單元達(dá)到一種平衡狀態(tài)或者處于某種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。離散單元法的基本原理主要基于兩個(gè)方面：一是接觸模型，即力-位移關(guān)系，用于計(jì)算單元接觸力；二是牛頓第二定律，用于求解單元的位移、速度及加速度。由于離散單元法建立在牛頓定律和不同的接觸模型基礎(chǔ)之上，且研究處理的對(duì)象及問(wèn)題多種多樣，因此其所采用的分析模型和計(jì)算方法也各不相同。在離散單元法中，單元間的相互作用被看作是瞬時(shí)平衡問(wèn)題，當(dāng)對(duì)象內(nèi)部的作用力達(dá)到平衡時(shí)，就認(rèn)為其處于平衡狀態(tài)。離散單元法的基本假定是，選取的時(shí)間步長(zhǎng)足夠小，使得在一個(gè)單獨(dú)的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，除了與選定單元直接接觸的單元外，來(lái)自其他任何單元的擾動(dòng)都不能傳播過(guò)來(lái)，并且規(guī)定在任意的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，速度和加速度恒定。這一假定是離散單元法的前提條件，由此可得在任意時(shí)刻單元所受的作用力只取決于該單元本身及與之直接接觸的其他單元。2.1.3接觸理論在離散單元法中，接觸理論是核心內(nèi)容之一，其主要用于計(jì)算顆粒之間的接觸力。常見(jiàn)的接觸模型有Hertz接觸模型、Mindlin接觸模型等。Hertz接觸模型基于彈性力學(xué)理論，適用于模擬兩個(gè)彈性球體之間的接觸。該模型假設(shè)接觸區(qū)域?yàn)閳A形，接觸力與接觸變形之間滿足一定的關(guān)系。當(dāng)兩個(gè)半徑分別為R_1和R_2的球體相互接觸時(shí)，接觸半徑a與接觸力F_n之間的關(guān)系為：a=\left(\frac{3F_n}{4E^*}\right)^{\frac{1}{3}}\left(\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}\right)^{\frac{1}{3}}其中，E^*為等效彈性模量，計(jì)算公式為：\frac{1}{E^*}=\frac{1-\nu_1^2}{E_1}+\frac{1-\nu_2^2}{E_2}式中，E_1、E_2分別為兩個(gè)球體的彈性模量，\nu_1、\nu_2分別為兩個(gè)球體的泊松比。Mindlin接觸模型在Hertz接觸模型的基礎(chǔ)上，考慮了切向力和滾動(dòng)摩擦力的影響。該模型認(rèn)為，切向力與切向位移之間存在一定的關(guān)系，且切向力的大小受到法向力和切向剛度的限制。當(dāng)切向力超過(guò)一定閾值時(shí)，顆粒之間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。Mindlin接觸模型能夠更真實(shí)地模擬顆粒之間的復(fù)雜相互作用，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的使用。除了上述兩種常見(jiàn)的接觸模型外，還有一些其他的接觸模型，如線性彈簧阻尼模型、黏結(jié)接觸模型等。線性彈簧阻尼模型將顆粒之間的接觸力簡(jiǎn)化為線性彈簧力和阻尼力的組合，適用于一些對(duì)計(jì)算精度要求不高的情況；黏結(jié)接觸模型則考慮了顆粒之間的黏結(jié)作用，可用于模擬具有一定黏聚力的顆粒材料，如黏土等。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的問(wèn)題和顆粒材料的特性選擇合適的接觸模型。不同的接觸模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率都有一定的影響，因此需要進(jìn)行合理的選擇和驗(yàn)證。2.1.4求解過(guò)程離散單元法的求解過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：離散單元的劃分：將求解空間離散為離散元單元陣，并根據(jù)實(shí)際問(wèn)題用合理的連接元件將相鄰兩單元連接起來(lái)。從性質(zhì)上分，離散元方法的單元可以是剛性的，也可以是非剛性的；從幾何形狀上分，可以是任意多邊形（塊體元），也可以是圓形（顆粒元）。從某種意義上講，顆粒元離散元法是塊體元離散元的一種力學(xué)簡(jiǎn)化方法。接觸力計(jì)算：根據(jù)選定的接觸模型，計(jì)算單元間的接觸力。單元間相對(duì)位移是基本變量，由力與相對(duì)位移的關(guān)系可得到兩單元間法向方向和切向方向的作用力。例如，在Hertz接觸模型中，根據(jù)接觸半徑和等效彈性模量計(jì)算法向接觸力；在Mindlin接觸模型中，除了計(jì)算法向接觸力外，還需考慮切向力和滾動(dòng)摩擦力的影響。運(yùn)動(dòng)方程求解：對(duì)單元在各個(gè)方向上與其它單元間的作用力以及其它物理場(chǎng)對(duì)單元作用所引起的外力求合力和合力矩，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律可以求得單元的加速度。然后對(duì)其進(jìn)行時(shí)間積分，進(jìn)而得到單元的速度、位移，從而得到所有單元在任意時(shí)刻的速度、加速度、角速度、角加速度、線位移和轉(zhuǎn)角等物理量。時(shí)間步長(zhǎng)確定：離散單元法通常采用顯式解法或隱式解法進(jìn)行求解。顯式解法用于動(dòng)力問(wèn)題的求解或動(dòng)態(tài)松弛法靜力求解，時(shí)間積分一般采用中心差分法。由于條件收斂的限制，使得計(jì)算步長(zhǎng)不能太大，需滿足數(shù)值積分穩(wěn)定性的要求，不能超過(guò)系統(tǒng)的臨界時(shí)間步長(zhǎng)。隱式解法用于求解靜力問(wèn)題的靜態(tài)松弛法，直接尋找塊體失去平衡后達(dá)到再平衡時(shí)的力-位移關(guān)系，建立隱式方法解聯(lián)立方程組，并通過(guò)迭代求解以完全消除塊體的殘余力和力矩。迭代計(jì)算：不斷重復(fù)上述步驟，進(jìn)行迭代計(jì)算，直到滿足收斂條件或達(dá)到預(yù)設(shè)的計(jì)算步數(shù)。在迭代過(guò)程中，需要對(duì)接觸判斷、相互作用關(guān)系、作用物理量計(jì)算、運(yùn)動(dòng)方程判斷、單元物理量的更新以及其他等效物理場(chǎng)的計(jì)算（如應(yīng)力、應(yīng)變等）進(jìn)行反復(fù)計(jì)算。結(jié)果輸出：輸出計(jì)算結(jié)果，包括顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度、接觸力等信息，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和可視化處理，以便更好地理解顆粒體系的力學(xué)行為和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在離散單元法的計(jì)算過(guò)程中，還需要考慮邊界條件的處理。常見(jiàn)的邊界條件有剛性壁邊界和顆粒邊界等。當(dāng)用剛性壁作為邊界時(shí)，邊界條件可以用剛性壁坐標(biāo)原點(diǎn)的兩個(gè)平移速度和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)定義，也可以采用伺服控制機(jī)理保證剛性壁所受的法向力不變；當(dāng)邊界是由顆粒自身組成時(shí)，邊界是一個(gè)凸多邊形，并且可以想象為由位于邊界顆粒形心處的樁釘所拉緊的彈性皮筋，內(nèi)部顆粒向外運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其形心接觸到邊界上任意兩個(gè)相鄰的顆粒形心的連線時(shí)，將變?yōu)檫吔珙w粒，邊界顆粒條件有應(yīng)力控制邊界、應(yīng)力控制邊界、伺服控制邊界、邊界平均應(yīng)力的控制等4種控制方式。2.2離散元數(shù)值計(jì)算軟件2.2.1EDEM軟件介紹EDEM是一款專注于離散元法（DEM）仿真的軟件，由英國(guó)DEMSolution公司開(kāi)發(fā)。該軟件以離散單元法為核心，能夠?qū)︻w粒材料的行為進(jìn)行高精度的模擬與分析，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。EDEM軟件具有強(qiáng)大的建模能力。它可以創(chuàng)建復(fù)雜的顆粒體物料空間環(huán)境，如模擬各種地質(zhì)層、作業(yè)環(huán)境等，有效地模擬分析機(jī)械系統(tǒng)與該顆粒體空間環(huán)境的相互作用過(guò)程。在盾構(gòu)施工模擬中，能夠精確地構(gòu)建砂卵石地層的顆粒模型，真實(shí)地反映砂卵石顆粒的形狀、大小分布以及顆粒之間的相互作用。通過(guò)導(dǎo)入盾構(gòu)機(jī)的三維模型，EDEM可以模擬盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)刀盤切削土體、螺旋輸送機(jī)排土等過(guò)程，獲取傳統(tǒng)測(cè)試方法無(wú)法獲取的數(shù)據(jù)信息，如顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、接觸力分布、刀具磨損情況等。EDEM軟件擁有豐富的接觸模型，這為復(fù)雜的地質(zhì)層建模提供了良好工具，能夠滿足不同地質(zhì)顆粒的建模仿真需求。常見(jiàn)的接觸模型如Hertz接觸模型、Mindlin接觸模型等在EDEM中都有很好的實(shí)現(xiàn)。Hertz接觸模型基于彈性力學(xué)理論，適用于模擬兩個(gè)彈性球體之間的接觸，能夠準(zhǔn)確計(jì)算顆粒之間的法向接觸力；Mindlin接觸模型在Hertz接觸模型的基礎(chǔ)上，考慮了切向力和滾動(dòng)摩擦力的影響，能夠更真實(shí)地模擬顆粒之間的復(fù)雜相互作用。在砂卵石地層盾構(gòu)施工模擬中，通過(guò)合理選擇和調(diào)整接觸模型參數(shù)，可以更準(zhǔn)確地描述砂卵石顆粒之間的力學(xué)行為，提高模擬結(jié)果的可靠性。EDEM軟件還具備友好的用戶界面和高效的計(jì)算能力。用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖放操作來(lái)創(chuàng)建仿真模型，熟悉軟件的基本操作，包括如何導(dǎo)入幾何模型、設(shè)置材料屬性、定義邊界條件等，即可快速上手進(jìn)行模擬分析。同時(shí)，EDEM采用了先進(jìn)的算法和高效的計(jì)算引擎，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成大規(guī)模顆粒系統(tǒng)的模擬計(jì)算，大大提高了工作效率。在盾構(gòu)施工模擬中，EDEM軟件可以與其他軟件進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)更全面的分析。例如，與有限元軟件耦合，可以同時(shí)考慮盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和周圍土體的變形；與多體動(dòng)力學(xué)軟件耦合，可以分析盾構(gòu)機(jī)各部件的運(yùn)動(dòng)和相互作用。通過(guò)這種耦合分析，能夠更深入地研究盾構(gòu)施工過(guò)程中的各種現(xiàn)象，為盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工參數(shù)的合理選擇提供有力的支持。2.2.2EDEM與其他離散元軟件對(duì)比目前，市面上存在多種離散元軟件，除了EDEM外，常見(jiàn)的還有PFC（ParticleFlowCode）等。不同的離散元軟件在功能、適用場(chǎng)景、計(jì)算效率等方面存在一定的差異。從功能方面來(lái)看，EDEM和PFC都具備離散元模擬的基本功能，如顆粒模型的建立、接觸力的計(jì)算、顆粒運(yùn)動(dòng)的模擬等。EDEM在顆粒與機(jī)械系統(tǒng)的相互作用模擬方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其豐富的后處理功能可以直觀地展示顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度等信息，并且能夠輸出詳細(xì)的力學(xué)數(shù)據(jù)，如接觸力分布、應(yīng)力應(yīng)變等，便于用戶進(jìn)行深入的分析。PFC則在巖土工程領(lǐng)域有著深厚的應(yīng)用基礎(chǔ)，其針對(duì)巖土材料的特性，提供了豐富的本構(gòu)模型和參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，能夠更準(zhǔn)確地模擬巖土材料的力學(xué)行為。在適用場(chǎng)景方面，EDEM由于其強(qiáng)大的顆粒與機(jī)械系統(tǒng)耦合模擬能力，廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、制藥、建筑等多個(gè)行業(yè)。在礦業(yè)中，可用于模擬礦石破碎、運(yùn)輸和堆積過(guò)程，幫助優(yōu)化礦山設(shè)計(jì)和操作；在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，可用于分析種子、土壤和肥料的行為，提高播種和施肥的效率；在制藥行業(yè)，被用于顆粒流動(dòng)和混合過(guò)程的研究，確保藥物的均勻性和有效性；在建筑領(lǐng)域，用于模擬混凝土、砂石等建筑材料的流動(dòng)和堆積，優(yōu)化施工過(guò)程。PFC則主要應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，如邊坡穩(wěn)定性分析、隧道圍巖穩(wěn)定性研究、地基沉降計(jì)算等。例如，在隧道施工模擬中，PFC可以很好地模擬圍巖在盾構(gòu)施工過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)和變形破壞過(guò)程，為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考依據(jù)。計(jì)算效率也是衡量離散元軟件性能的重要指標(biāo)。EDEM采用了先進(jìn)的并行計(jì)算技術(shù)，能夠充分利用多核處理器的計(jì)算能力，在處理大規(guī)模顆粒系統(tǒng)時(shí)具有較高的計(jì)算效率。同時(shí)，EDEM還提供了多種優(yōu)化算法，如接觸搜索算法、時(shí)間步長(zhǎng)控制算法等，可以進(jìn)一步提高計(jì)算速度。PFC在計(jì)算效率方面也有一定的優(yōu)勢(shì)，其采用了高效的數(shù)值算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠快速地求解顆粒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。在處理復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題時(shí)，由于需要考慮巖土材料的復(fù)雜力學(xué)特性和邊界條件，PFC的計(jì)算時(shí)間可能會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)。從用戶界面和易用性來(lái)看，EDEM提供了直觀的用戶界面，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖放操作來(lái)創(chuàng)建仿真模型，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，容易上手。PFC的用戶界面相對(duì)較為傳統(tǒng)，需要用戶具備一定的編程基礎(chǔ)和離散元理論知識(shí)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)可能有一定的難度。EDEM和其他離散元軟件各有其優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。在砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)和地表沉降控制研究中，由于需要重點(diǎn)關(guān)注盾構(gòu)機(jī)與砂卵石地層的相互作用，以及顆粒流動(dòng)和地表沉降的規(guī)律，EDEM軟件憑借其強(qiáng)大的顆粒與機(jī)械系統(tǒng)耦合模擬能力、豐富的后處理功能和友好的用戶界面，更適合用于本研究的數(shù)值模擬工作。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，也可以根據(jù)具體問(wèn)題的特點(diǎn)和需求，綜合考慮選擇合適的離散元軟件，或者將多種軟件進(jìn)行耦合使用，以獲得更準(zhǔn)確、全面的模擬結(jié)果。3.砂卵石地層特性與盾構(gòu)工程概況3.1砂卵石地層特性3.1.1顆粒分布特性砂卵石地層的顆粒分布特性是其重要的物理性質(zhì)之一，對(duì)盾構(gòu)施工有著顯著的影響。通過(guò)對(duì)砂卵石地層的顆粒分布進(jìn)行分析，有助于深入了解地層的工程特性，為盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行提供有力的依據(jù)。砂卵石地層主要由礫石、卵石和砂組成，其粒徑大小和級(jí)配呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布特征。一般來(lái)說(shuō)，砂卵石地層中卵石的粒徑范圍較廣，通常在20-200mm之間，甚至更大；礫石的粒徑則相對(duì)較小，一般在2-20mm之間；砂的粒徑則更小，多在0.075-2mm之間。在成都地鐵某號(hào)線穿越的砂卵石地層中，通過(guò)篩分試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卵石的最大粒徑可達(dá)300mm，其中粒徑大于20mm的顆粒含量占總質(zhì)量的50%-80%，礫石和砂的含量相對(duì)較少。砂卵石地層的級(jí)配情況也較為復(fù)雜。級(jí)配是指不同粒徑顆粒的分布比例，良好的級(jí)配能夠使顆粒之間相互填充，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而，在實(shí)際的砂卵石地層中，級(jí)配往往并不理想，存在著顆粒大小不均、級(jí)配不連續(xù)等問(wèn)題。例如，在一些砂卵石地層中，可能會(huì)出現(xiàn)粗顆粒過(guò)多或細(xì)顆粒缺失的情況，導(dǎo)致地層的孔隙率增大，穩(wěn)定性降低。這種不良的級(jí)配會(huì)使得盾構(gòu)施工過(guò)程中，刀盤切削土體時(shí)受到的阻力不均勻，容易引起刀具的磨損和損壞；同時(shí)，也會(huì)增加地層坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工安全造成威脅。砂卵石地層的顆粒分布還存在著空間變異性。在不同的區(qū)域、不同的深度，顆粒的大小和級(jí)配可能會(huì)發(fā)生變化。這種空間變異性給盾構(gòu)施工帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，需要在施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，以適應(yīng)地層的變化。例如，在蘭州地鐵1號(hào)線的施工中，發(fā)現(xiàn)同一區(qū)間內(nèi)不同地段的砂卵石地層顆粒分布存在明顯差異，在某些地段卵石含量較高，而在另一些地段砂的含量相對(duì)較多。針對(duì)這種情況，施工單位在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)勘察資料和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)速、推力等參數(shù)，確保了施工的順利進(jìn)行。砂卵石地層的顆粒分布特性對(duì)盾構(gòu)施工的影響是多方面的。顆粒大小和級(jí)配直接影響著地層的力學(xué)性質(zhì)，如內(nèi)摩擦角、黏聚力等。較大粒徑的卵石和良好的級(jí)配會(huì)使地層具有較高的內(nèi)摩擦角和承載能力，而細(xì)顆粒含量較多或級(jí)配不良則會(huì)降低地層的穩(wěn)定性。在盾構(gòu)施工中，刀盤刀具的磨損與顆粒分布密切相關(guān)。砂卵石地層中堅(jiān)硬的卵石和礫石會(huì)對(duì)刀盤刀具產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和沖擊，導(dǎo)致刀具磨損加劇。尤其是在大粒徑卵石較多的地層中，刀具更容易受到損壞，需要頻繁更換刀具，這不僅增加了施工成本，還會(huì)影響施工進(jìn)度。地層的顆粒分布還會(huì)影響盾構(gòu)施工過(guò)程中的渣土改良效果。良好的顆粒分布有利于改良劑與土體充分混合，提高渣土的流動(dòng)性和可塑性，從而保證盾構(gòu)機(jī)的排土順暢和土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。而不良的顆粒分布則會(huì)使改良劑難以發(fā)揮作用，導(dǎo)致渣土改良效果不佳，影響施工的正常進(jìn)行。3.1.2松散系數(shù)松散系數(shù)是衡量砂卵石地層松散程度的重要指標(biāo)，它反映了砂卵石在自然狀態(tài)下和經(jīng)過(guò)擾動(dòng)后的體積變化情況。松散系數(shù)的大小對(duì)盾構(gòu)施工有著重要的影響，直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率、渣土運(yùn)輸量以及施工成本等方面。砂卵石地層的松散系數(shù)一般大于1，這是因?yàn)樯奥咽谧匀粻顟B(tài)下，顆粒之間相互堆積，存在著一定的孔隙。當(dāng)砂卵石受到擾動(dòng)，如盾構(gòu)機(jī)刀盤切削、螺旋輸送機(jī)排土等過(guò)程時(shí)，顆粒之間的排列方式發(fā)生改變，孔隙增大，導(dǎo)致體積膨脹，從而使得松散后的體積大于自然狀態(tài)下的體積。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究，砂卵石地層的松散系數(shù)通常在1.1-1.3之間。在某砂卵石地層盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，得到該地層的松散系數(shù)約為1.25。松散系數(shù)對(duì)盾構(gòu)施工的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，需要根據(jù)松散系數(shù)合理計(jì)算渣土的運(yùn)輸量。由于砂卵石松散后體積增大，因此實(shí)際的渣土運(yùn)輸量要大于理論計(jì)算的出土量。如果按照理論出土量進(jìn)行渣土運(yùn)輸安排，可能會(huì)導(dǎo)致渣土堆積，影響施工場(chǎng)地的正常作業(yè)和施工進(jìn)度。在某地鐵盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，由于前期對(duì)松散系數(shù)估計(jì)不足，按照理論出土量安排渣土車運(yùn)輸，結(jié)果在施工過(guò)程中出現(xiàn)了渣土大量堆積的情況，不得不臨時(shí)增加渣土車數(shù)量，不僅延誤了施工進(jìn)度，還增加了運(yùn)輸成本。松散系數(shù)還會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。如果松散系數(shù)過(guò)大，說(shuō)明砂卵石地層的松散程度較高，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，刀盤切削土體的阻力相對(duì)較小，但同時(shí)也容易導(dǎo)致地層坍塌。為了保證施工安全，需要采取相應(yīng)的支護(hù)措施，這可能會(huì)影響掘進(jìn)速度。相反，如果松散系數(shù)過(guò)小，表明地層較為密實(shí)，刀盤切削土體的阻力較大，會(huì)增加刀具的磨損和能耗，同樣會(huì)降低掘進(jìn)效率。在某砂卵石地層盾構(gòu)施工中，由于地層松散系數(shù)較大，施工過(guò)程中出現(xiàn)了多次地層坍塌事故，為了處理坍塌問(wèn)題，不得不頻繁停機(jī)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，導(dǎo)致掘進(jìn)效率大幅降低。松散系數(shù)對(duì)盾構(gòu)施工的成本也有一定的影響。由于渣土運(yùn)輸量的增加，需要投入更多的運(yùn)輸設(shè)備和人力，這無(wú)疑會(huì)增加施工成本。如果為了控制渣土運(yùn)輸量而不合理地降低掘進(jìn)速度，也會(huì)導(dǎo)致施工周期延長(zhǎng)，間接增加施工成本。在某盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，為了減少渣土運(yùn)輸成本，施工單位試圖降低掘進(jìn)速度，減少出土量，但結(jié)果導(dǎo)致施工周期延長(zhǎng)，人工成本、設(shè)備租賃成本等大幅增加，最終總的施工成本反而上升。松散系數(shù)還與盾構(gòu)施工過(guò)程中的同步注漿量密切相關(guān)。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，為了填充盾尾間隙，防止地層變形和沉降，需要進(jìn)行同步注漿。松散系數(shù)越大，盾尾間隙內(nèi)需要填充的漿液量就越多。如果注漿量不足，可能會(huì)導(dǎo)致地層沉降過(guò)大，影響周邊建筑物和地下管線的安全；而注漿量過(guò)多，則會(huì)造成材料浪費(fèi)和成本增加。在某盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，由于對(duì)松散系數(shù)和注漿量的關(guān)系把握不準(zhǔn)確，注漿量不足，導(dǎo)致施工后地表出現(xiàn)了明顯的沉降，對(duì)周邊建筑物造成了一定的影響，不得不進(jìn)行二次注漿處理，增加了施工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。3.砂卵石地層特性與盾構(gòu)工程概況3.1砂卵石地層特性3.1.1顆粒分布特性砂卵石地層的顆粒分布特性是其重要的物理性質(zhì)之一，對(duì)盾構(gòu)施工有著顯著的影響。通過(guò)對(duì)砂卵石地層的顆粒分布進(jìn)行分析，有助于深入了解地層的工程特性，為盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行提供有力的依據(jù)。砂卵石地層主要由礫石、卵石和砂組成，其粒徑大小和級(jí)配呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布特征。一般來(lái)說(shuō)，砂卵石地層中卵石的粒徑范圍較廣，通常在20-200mm之間，甚至更大；礫石的粒徑則相對(duì)較小，一般在2-20mm之間；砂的粒徑則更小，多在0.075-2mm之間。在成都地鐵某號(hào)線穿越的砂卵石地層中，通過(guò)篩分試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卵石的最大粒徑可達(dá)300mm，其中粒徑大于20mm的顆粒含量占總質(zhì)量的50%-80%，礫石和砂的含量相對(duì)較少。砂卵石地層的級(jí)配情況也較為復(fù)雜。級(jí)配是指不同粒徑顆粒的分布比例，良好的級(jí)配能夠使顆粒之間相互填充，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而，在實(shí)際的砂卵石地層中，級(jí)配往往并不理想，存在著顆粒大小不均、級(jí)配不連續(xù)等問(wèn)題。例如，在一些砂卵石地層中，可能會(huì)出現(xiàn)粗顆粒過(guò)多或細(xì)顆粒缺失的情況，導(dǎo)致地層的孔隙率增大，穩(wěn)定性降低。這種不良的級(jí)配會(huì)使得盾構(gòu)施工過(guò)程中，刀盤切削土體時(shí)受到的阻力不均勻，容易引起刀具的磨損和損壞；同時(shí)，也會(huì)增加地層坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工安全造成威脅。砂卵石地層的顆粒分布還存在著空間變異性。在不同的區(qū)域、不同的深度，顆粒的大小和級(jí)配可能會(huì)發(fā)生變化。這種空間變異性給盾構(gòu)施工帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，需要在施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，以適應(yīng)地層的變化。例如，在蘭州地鐵1號(hào)線的施工中，發(fā)現(xiàn)同一區(qū)間內(nèi)不同地段的砂卵石地層顆粒分布存在明顯差異，在某些地段卵石含量較高，而在另一些地段砂的含量相對(duì)較多。針對(duì)這種情況，施工單位在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)勘察資料和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)速、推力等參數(shù)，確保了施工的順利進(jìn)行。砂卵石地層的顆粒分布特性對(duì)盾構(gòu)施工的影響是多方面的。顆粒大小和級(jí)配直接影響著地層的力學(xué)性質(zhì)，如內(nèi)摩擦角、黏聚力等。較大粒徑的卵石和良好的級(jí)配會(huì)使地層具有較高的內(nèi)摩擦角和承載能力，而細(xì)顆粒含量較多或級(jí)配不良則會(huì)降低地層的穩(wěn)定性。在盾構(gòu)施工中，刀盤刀具的磨損與顆粒分布密切相關(guān)。砂卵石地層中堅(jiān)硬的卵石和礫石會(huì)對(duì)刀盤刀具產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和沖擊，導(dǎo)致刀具磨損加劇。尤其是在大粒徑卵石較多的地層中，刀具更容易受到損壞，需要頻繁更換刀具，這不僅增加了施工成本，還會(huì)影響施工進(jìn)度。地層的顆粒分布還會(huì)影響盾構(gòu)施工過(guò)程中的渣土改良效果。良好的顆粒分布有利于改良劑與土體充分混合，提高渣土的流動(dòng)性和可塑性，從而保證盾構(gòu)機(jī)的排土順暢和土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。而不良的顆粒分布則會(huì)使改良劑難以發(fā)揮作用，導(dǎo)致渣土改良效果不佳，影響施工的正常進(jìn)行。3.1.2松散系數(shù)松散系數(shù)是衡量砂卵石地層松散程度的重要指標(biāo)，它反映了砂卵石在自然狀態(tài)下和經(jīng)過(guò)擾動(dòng)后的體積變化情況。松散系數(shù)的大小對(duì)盾構(gòu)施工有著重要的影響，直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率、渣土運(yùn)輸量以及施工成本等方面。砂卵石地層的松散系數(shù)一般大于1，這是因?yàn)樯奥咽谧匀粻顟B(tài)下，顆粒之間相互堆積，存在著一定的孔隙。當(dāng)砂卵石受到擾動(dòng)，如盾構(gòu)機(jī)刀盤切削、螺旋輸送機(jī)排土等過(guò)程時(shí)，顆粒之間的排列方式發(fā)生改變，孔隙增大，導(dǎo)致體積膨脹，從而使得松散后的體積大于自然狀態(tài)下的體積。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究，砂卵石地層的松散系數(shù)通常在1.1-1.3之間。在某砂卵石地層盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，得到該地層的松散系數(shù)約為1.25。松散系數(shù)對(duì)盾構(gòu)施工的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，需要根據(jù)松散系數(shù)合理計(jì)算渣土的運(yùn)輸量。由于砂卵石松散后體積增大，因此實(shí)際的渣土運(yùn)輸量要大于理論計(jì)算的出土量。如果按照理論出土量進(jìn)行渣土運(yùn)輸安排，可能會(huì)導(dǎo)致渣土堆積，影響施工場(chǎng)地的正常作業(yè)和施工進(jìn)度。在某地鐵盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，由于前期對(duì)松散系數(shù)估計(jì)不足，按照理論出土量安排渣土車運(yùn)輸，結(jié)果在施工過(guò)程中出現(xiàn)了渣土大量堆積的情況，不得不臨時(shí)增加渣土車數(shù)量，不僅延誤了施工進(jìn)度，還增加了運(yùn)輸成本。松散系數(shù)還會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。如果松散系數(shù)過(guò)大，說(shuō)明砂卵石地層的松散程度較高，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，刀盤切削土體的阻力相對(duì)較小，但同時(shí)也容易導(dǎo)致地層坍塌。為了保證施工安全，需要采取相應(yīng)的支護(hù)措施，這可能會(huì)影響掘進(jìn)速度。相反，如果松散系數(shù)過(guò)小，表明地層較為密實(shí)，刀盤切削土體的阻力較大，會(huì)增加刀具的磨損和能耗，同樣會(huì)降低掘進(jìn)效率。在某砂卵石地層盾構(gòu)施工中，由于地層松散系數(shù)較大，施工過(guò)程中出現(xiàn)了多次地層坍塌事故，為了處理坍塌問(wèn)題，不得不頻繁停機(jī)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，導(dǎo)致掘進(jìn)效率大幅降低。松散系數(shù)對(duì)盾構(gòu)施工的成本也有一定的影響。由于渣土運(yùn)輸量的增加，需要投入更多的運(yùn)輸設(shè)備和人力，這無(wú)疑會(huì)增加施工成本。如果為了控制渣土運(yùn)輸量而不合理地降低掘進(jìn)速度，也會(huì)導(dǎo)致施工周期延長(zhǎng)，間接增加施工成本。在某盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，為了減少渣土運(yùn)輸成本，施工單位試圖降低掘進(jìn)速度，減少出土量，但結(jié)果導(dǎo)致施工周期延長(zhǎng)，人工成本、設(shè)備租賃成本等大幅增加，最終總的施工成本反而上升。松散系數(shù)還與盾構(gòu)施工過(guò)程中的同步注漿量密切相關(guān)。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，為了填充盾尾間隙，防止地層變形和沉降，需要進(jìn)行同步注漿。松散系數(shù)越大，盾尾間隙內(nèi)需要填充的漿液量就越多。如果注漿量不足，可能會(huì)導(dǎo)致地層沉降過(guò)大，影響周邊建筑物和地下管線的安全；而注漿量過(guò)多，則會(huì)造成材料浪費(fèi)和成本增加。在某盾構(gòu)施工項(xiàng)目中，由于對(duì)松散系數(shù)和注漿量的關(guān)系把握不準(zhǔn)確，注漿量不足，導(dǎo)致施工后地表出現(xiàn)了明顯的沉降，對(duì)周邊建筑物造成了一定的影響，不得不進(jìn)行二次注漿處理，增加了施工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。3.2盾構(gòu)工程概況3.2.1工程背景本研究以蘭州地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，該區(qū)間隧道是蘭州地鐵1號(hào)線的重要組成部分，承擔(dān)著連接城市不同區(qū)域的重要交通任務(wù)。區(qū)間隧道全長(zhǎng)約2.5km，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)直徑為6.28m。該區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為砂卵石地層，其中卵石含量較高，粒徑范圍在20-200mm之間，部分卵石粒徑甚至超過(guò)300mm。砂卵石地層的顆粒級(jí)配不良，孔隙率較大，結(jié)構(gòu)松散，黏聚力低，且地下水豐富，滲透系數(shù)較大。這種復(fù)雜的地質(zhì)條件給盾構(gòu)施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，如刀盤刀具磨損嚴(yán)重、開(kāi)挖面穩(wěn)定性差、地表沉降控制困難等問(wèn)題。區(qū)間隧道沿線周邊環(huán)境復(fù)雜，隧道上方分布著多條城市主干道，交通流量大；同時(shí)，隧道兩側(cè)存在大量的建筑物和地下管線，對(duì)地表沉降的控制要求極為嚴(yán)格。一旦盾構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)地表沉降過(guò)大或地層坍塌等問(wèn)題，將對(duì)周邊交通、建筑物和地下管線的安全造成嚴(yán)重威脅，引發(fā)一系列的安全事故和社會(huì)問(wèn)題。為了確保盾構(gòu)施工的安全和順利進(jìn)行，施工單位在施工前進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定了相應(yīng)的施工方案和應(yīng)急預(yù)案。在施工過(guò)程中，采用了先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速度、刀盤扭矩、地表沉降等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，保證施工的安全和質(zhì)量。然而，由于砂卵石地層的復(fù)雜性和盾構(gòu)施工的不確定性，施工過(guò)程中仍然面臨著諸多技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步深入研究和探索有效的解決方法。3.2.2盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造本工程所使用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、土倉(cāng)、螺旋輸送機(jī)、盾體、推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝機(jī)等部分組成。刀盤是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，位于盾構(gòu)機(jī)的最前端，主要作用是切削土體。本工程采用的是面板式刀盤，刀盤直徑為6.28m，開(kāi)口率為30%。刀盤上安裝有多種類型的刀具，包括切刀、刮刀、滾刀等，以適應(yīng)不同地層的切削需求。切刀主要用于切削軟土和砂層，刮刀用于刮削卵石表面的黏土，滾刀則用于破碎堅(jiān)硬的卵石和巖石。刀盤的旋轉(zhuǎn)由刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)刀盤的無(wú)級(jí)變速，以滿足不同施工工況下的切削要求。土倉(cāng)位于刀盤后方，是盾構(gòu)機(jī)儲(chǔ)存切削下來(lái)土體的空間。土倉(cāng)內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，用于攪拌土體，使其保持良好的塑流性，以便于螺旋輸送機(jī)排土。土倉(cāng)壓力的控制是土壓平衡盾構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的排土量和盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度，使土倉(cāng)壓力與開(kāi)挖面的水土壓力保持平衡，從而保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定。螺旋輸送機(jī)是盾構(gòu)機(jī)的排土裝置，位于土倉(cāng)底部。螺旋輸送機(jī)由螺旋葉片、筒體、驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成，通過(guò)螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)將土倉(cāng)內(nèi)的土體輸送到盾構(gòu)機(jī)后方的運(yùn)輸車輛上。螺旋輸送機(jī)的排土量可通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋葉片的轉(zhuǎn)速和螺旋輸送機(jī)的出土口大小來(lái)控制，以適應(yīng)不同的施工工況。盾體是盾構(gòu)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，主要由前盾、中盾和尾盾三部分組成。前盾與刀盤相連，用于支撐刀盤和承受開(kāi)挖面的水土壓力；中盾內(nèi)部安裝有推進(jìn)系統(tǒng)和管片拼裝機(jī)，推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)千斤頂推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，管片拼裝機(jī)用于安裝隧道襯砌管片；尾盾則用于保護(hù)已安裝的管片，并提供盾尾密封，防止地下水和土體進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部。盾體的外徑略小于刀盤直徑，以保證盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中能夠順利地通過(guò)地層。推進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的動(dòng)力裝置，由推進(jìn)千斤頂和液壓系統(tǒng)組成。推進(jìn)千斤頂均勻分布在中盾的周邊，通過(guò)頂推已安裝的管片，為盾構(gòu)機(jī)提供向前的推力。液壓系統(tǒng)則負(fù)責(zé)控制推進(jìn)千斤頂?shù)纳炜s和推力大小，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的平穩(wěn)推進(jìn)。推進(jìn)系統(tǒng)還設(shè)有同步注漿裝置，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)同步注漿裝置向盾尾間隙注入漿液，填充盾尾間隙，防止地層變形和沉降。管片拼裝機(jī)是用于安裝隧道襯砌管片的設(shè)備，位于盾尾內(nèi)部。管片拼裝機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu)等部分組成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移和抓取等動(dòng)作，將管片準(zhǔn)確地安裝到隧道壁上。管片拼裝機(jī)的操作由操作人員在盾構(gòu)機(jī)操作室內(nèi)進(jìn)行控制，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀察管片的安裝情況，確保管片安裝的質(zhì)量和精度。4.離散元模型建立與參數(shù)標(biāo)定4.1模型建立4.1.1幾何模型構(gòu)建利用SolidWorks三維建模軟件，以蘭州地鐵盾構(gòu)為原型，構(gòu)建面板式刀盤盾構(gòu)和輻條式刀盤盾構(gòu)的三維機(jī)械模型。在構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)建模，確保模型的準(zhǔn)確性和完整性。刀盤作為盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)和地層響應(yīng)有著重要影響。在SolidWorks中，精確繪制刀盤的形狀，包括刀盤面板、刀具布置、開(kāi)口率等參數(shù)。面板式刀盤的面板設(shè)計(jì)能夠有效地控制土體的流入，減少土體的流失；輻條式刀盤則具有較好的渣土流動(dòng)性，能夠提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)，設(shè)置刀盤的直徑、厚度等尺寸參數(shù)，確保刀盤模型與實(shí)際盾構(gòu)機(jī)一致。螺旋輸送機(jī)是盾構(gòu)機(jī)排土的重要裝置，其工作性能直接影響盾構(gòu)施工的效率和穩(wěn)定性。在建模時(shí)，準(zhǔn)確繪制螺旋輸送機(jī)的螺旋葉片、筒體、驅(qū)動(dòng)裝置等部件。螺旋葉片的形狀和尺寸決定了渣土的輸送能力，通過(guò)合理設(shè)計(jì)螺旋葉片的螺距、直徑等參數(shù)，能夠提高螺旋輸送機(jī)的排土效率。同時(shí)，考慮螺旋輸送機(jī)與土倉(cāng)的連接方式，確保模型的合理性。盾體是盾構(gòu)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，主要由前盾、中盾和尾盾三部分組成。在SolidWorks中，分別構(gòu)建前盾、中盾和尾盾的三維模型，并按照實(shí)際的連接方式進(jìn)行裝配。前盾與刀盤相連，承受開(kāi)挖面的水土壓力，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性至關(guān)重要；中盾內(nèi)部安裝有推進(jìn)系統(tǒng)和管片拼裝機(jī)，為盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)提供動(dòng)力和支持；尾盾用于保護(hù)已安裝的管片，并提供盾尾密封，防止地下水和土體進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部。在建模過(guò)程中，充分考慮盾體各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能需求，確保盾體模型的準(zhǔn)確性和可靠性。除了盾構(gòu)機(jī)的主體部件外，還對(duì)盾構(gòu)機(jī)的其他附屬部件進(jìn)行建模，如推進(jìn)系統(tǒng)的千斤頂、管片拼裝機(jī)的抓取機(jī)構(gòu)等。這些附屬部件雖然體積較小，但在盾構(gòu)施工過(guò)程中起著重要的作用，對(duì)其進(jìn)行精確建模能夠提高整個(gè)盾構(gòu)機(jī)模型的真實(shí)性和完整性。在構(gòu)建盾構(gòu)機(jī)三維機(jī)械模型的基礎(chǔ)上，利用EDEM軟件中的顆粒工廠功能，構(gòu)建砂卵石顆粒離散元模型。根據(jù)砂卵石地層的顆粒分布特性，設(shè)置顆粒的粒徑范圍、形狀、密度等參數(shù)。砂卵石地層中的顆粒粒徑大小不一，通過(guò)設(shè)置合理的粒徑分布函數(shù)，能夠真實(shí)地反映砂卵石顆粒的實(shí)際情況?？紤]顆粒之間的接觸模型和相互作用參數(shù)，如摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)等，以準(zhǔn)確模擬砂卵石顆粒在盾構(gòu)施工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和相互作用。4.1.2模型導(dǎo)入與設(shè)置將在SolidWorks中構(gòu)建好的盾構(gòu)機(jī)三維機(jī)械模型導(dǎo)入EDEM軟件中。在導(dǎo)入過(guò)程中，確保模型的坐標(biāo)系統(tǒng)和單位設(shè)置與EDEM軟件一致，以避免出現(xiàn)模型位置錯(cuò)誤或尺寸偏差等問(wèn)題。對(duì)導(dǎo)入的盾構(gòu)機(jī)模型進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，包括材料屬性、邊界條件等。根據(jù)實(shí)際工程中盾構(gòu)機(jī)的材料特性，設(shè)置刀盤、螺旋輸送機(jī)、盾體等部件的彈性模量、泊松比、密度等材料參數(shù)。這些材料參數(shù)將直接影響盾構(gòu)機(jī)在模擬過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在邊界條件設(shè)置方面，將盾構(gòu)機(jī)的底部設(shè)置為固定邊界，模擬盾構(gòu)機(jī)在隧道底部的支撐情況；將盾構(gòu)機(jī)的周圍設(shè)置為自由邊界，以模擬盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中的掘進(jìn)環(huán)境。為了準(zhǔn)確模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)和地層響應(yīng)，還需要對(duì)砂卵石顆粒離散元模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置。設(shè)置砂卵石顆粒的屬性，包括顆粒的粒徑分布、形狀、密度、彈性模量、泊松比、摩擦系數(shù)等。根據(jù)砂卵石地層的特性分析結(jié)果，確定顆粒的粒徑范圍和分布規(guī)律，選擇合適的顆粒形狀，如球形、橢球形等，以提高模型的準(zhǔn)確性。合理設(shè)置顆粒的密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，使其能夠真實(shí)地反映砂卵石的物理力學(xué)性質(zhì)。在接觸模型方面，選擇Hertz-Mindlin接觸模型，該模型能夠考慮顆粒之間的法向力和切向力，以及滾動(dòng)摩擦力的影響，能夠更真實(shí)地模擬砂卵石顆粒之間的相互作用。根據(jù)砂卵石顆粒的特性，設(shè)置接觸模型的參數(shù)，如接觸剛度、阻尼系數(shù)、摩擦系數(shù)等，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。設(shè)置模擬的時(shí)間步長(zhǎng)、模擬時(shí)間等參數(shù)。時(shí)間步長(zhǎng)的選擇需要綜合考慮計(jì)算效率和模擬精度，一般根據(jù)顆粒的最小尺寸和最大速度來(lái)確定，以保證在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)距離不超過(guò)顆粒的最小尺寸，從而確保計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。模擬時(shí)間則根據(jù)盾構(gòu)施工的實(shí)際情況確定，以保證能夠完整地模擬盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過(guò)程。在EDEM軟件中，還可以設(shè)置其他參數(shù)，如重力加速度、顆粒的初始位置和速度等。重力加速度的設(shè)置能夠模擬砂卵石顆粒在重力作用下的運(yùn)動(dòng)情況，顆粒的初始位置和速度的設(shè)置則能夠模擬盾構(gòu)施工前砂卵石地層的初始狀態(tài)。通過(guò)合理設(shè)置這些參數(shù)，能夠使離散元模型更加真實(shí)地反映砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工的實(shí)際情況，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)。4.2細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定4.2.1標(biāo)定原則細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定是離散元模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性直接影響模擬結(jié)果的可靠性。在砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)和地表沉降控制研究中，細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定遵循以下原則：與實(shí)際工程一致性原則：細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定應(yīng)基于實(shí)際工程中的砂卵石地層特性和盾構(gòu)施工條件。通過(guò)對(duì)蘭州地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間砂卵石地層的顆粒分布特性、松散系數(shù)等物理力學(xué)性質(zhì)的詳細(xì)測(cè)定與分析，獲取真實(shí)的地層參數(shù)。在進(jìn)行三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)時(shí)，確保試驗(yàn)條件與實(shí)際地層的應(yīng)力狀態(tài)、顆粒組成等盡可能相似，使標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際工程中砂卵石顆粒的力學(xué)行為。試驗(yàn)與模擬相結(jié)合原則：采用室內(nèi)試驗(yàn)與離散元數(shù)值試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定。通過(guò)室內(nèi)大直徑試樣三軸壓縮試驗(yàn)，獲取砂卵石地層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗剪強(qiáng)度等宏觀力學(xué)參數(shù)。利用離散元軟件EDEM進(jìn)行三軸數(shù)值試驗(yàn)，調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，使數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相匹配。通過(guò)反復(fù)對(duì)比和優(yōu)化，確定合理的細(xì)觀參數(shù)值，提高參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性。多參數(shù)綜合考慮原則：砂卵石地層的細(xì)觀參數(shù)眾多，包括顆粒的彈性模量、泊松比、摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)等，這些參數(shù)相互影響，共同決定了砂卵石顆粒的力學(xué)行為。在標(biāo)定過(guò)程中，不能孤立地考慮某一個(gè)參數(shù)，而應(yīng)綜合考慮多個(gè)參數(shù)的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法，研究不同參數(shù)組合對(duì)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的影響，篩選出對(duì)宏觀力學(xué)性質(zhì)影響較大的關(guān)鍵參數(shù)，重點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定和優(yōu)化，以提高參數(shù)標(biāo)定的效率和精度。參數(shù)可重復(fù)性原則：標(biāo)定得到的細(xì)觀參數(shù)應(yīng)具有可重復(fù)性，即在相同的試驗(yàn)條件和模擬設(shè)置下，能夠得到相近的模擬結(jié)果。為了保證參數(shù)的可重復(fù)性，在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；在數(shù)值模擬中，詳細(xì)記錄模擬參數(shù)和設(shè)置，便于后續(xù)的重復(fù)和驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，評(píng)估參數(shù)的不確定性對(duì)模擬結(jié)果的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證參數(shù)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。4.2.2三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)為了獲取砂卵石地層的力學(xué)參數(shù)，采用EDEM軟件進(jìn)行三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)。在數(shù)值試驗(yàn)中，構(gòu)建圓柱形的砂卵石顆粒試樣，其尺寸與室內(nèi)大直徑試樣三軸壓縮試驗(yàn)中的試樣尺寸一致，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性。試樣的顆粒組成根據(jù)砂卵石地層的實(shí)際顆粒分布特性進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)顆粒工廠功能生成不同粒徑的砂卵石顆粒，并按照一定的比例進(jìn)行混合?？紤]顆粒之間的接觸模型和相互作用參數(shù)，采用Hertz-Mindlin接觸模型，設(shè)置合適的接觸剛度、阻尼系數(shù)、摩擦系數(shù)等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬砂卵石顆粒在三軸壓縮過(guò)程中的相互作用和力學(xué)行為。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試樣施加圍壓和軸向壓力。圍壓通過(guò)在試樣周圍設(shè)置剛性壁來(lái)實(shí)現(xiàn)，剛性壁的位移和壓力可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行控制。軸向壓力則通過(guò)在試樣頂部施加位移載荷來(lái)施加，位移載荷的加載速率根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行設(shè)置，以模擬不同的加載條件。在施加圍壓和軸向壓力的過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的應(yīng)力和應(yīng)變變化。通過(guò)EDEM軟件的后處理功能，獲取試樣在不同加載階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析砂卵石地層的力學(xué)特性，如彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度等。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)，判斷試樣的破壞模式，進(jìn)一步研究砂卵石地層在三軸壓縮條件下的變形和破壞機(jī)理。為了提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，進(jìn)行多組三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)置不同的圍壓和軸向壓力條件，以研究圍壓和軸向壓力對(duì)砂卵石地層力學(xué)性質(zhì)的影響。對(duì)多組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取平均值作為砂卵石地層的力學(xué)參數(shù)，減少試驗(yàn)誤差，提高參數(shù)的準(zhǔn)確性。4.2.3圍壓控制在三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)中，圍壓控制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有著重要影響。圍壓控制的方法主要包括以下幾種：剛性壁位移控制法：通過(guò)控制剛性壁的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)圍壓的施加。在EDEM軟件中，將剛性壁設(shè)置為可移動(dòng)的邊界，根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置剛性壁的位移大小和方向。當(dāng)剛性壁向試樣內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，對(duì)試樣施加圍壓；當(dāng)剛性壁向外移動(dòng)時(shí)，圍壓減小。這種方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但圍壓的控制精度相對(duì)較低，適用于對(duì)圍壓精度要求不高的試驗(yàn)。壓力控制法：直接在剛性壁上施加壓力來(lái)控制圍壓。通過(guò)設(shè)置剛性壁的壓力值，使剛性壁對(duì)試樣施加相應(yīng)的圍壓。這種方法能夠精確控制圍壓的大小，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但需要準(zhǔn)確測(cè)量和控制壓力，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和操作要求較高。伺服控制法：采用伺服控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整圍壓。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的應(yīng)力和變形情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整剛性壁的位移或壓力，以保持圍壓的穩(wěn)定。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)圍壓的精確控制和實(shí)時(shí)調(diào)整，適用于對(duì)圍壓精度要求較高的試驗(yàn)，但設(shè)備成本較高，操作復(fù)雜。在本研究的三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)中，采用壓力控制法進(jìn)行圍壓控制。根據(jù)砂卵石地層的實(shí)際受力情況，設(shè)置不同的圍壓值，如50kPa、100kPa、150kPa等，以研究不同圍壓條件下砂卵石地層的力學(xué)性質(zhì)變化。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制壓力的施加和穩(wěn)定，確保圍壓的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為獲取可靠的試驗(yàn)結(jié)果提供保障。圍壓在三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)中起著重要的作用。圍壓能夠改變砂卵石顆粒之間的接觸狀態(tài)和相互作用力，從而影響砂卵石地層的力學(xué)性質(zhì)。隨著圍壓的增加，砂卵石顆粒之間的接觸更加緊密，顆粒之間的摩擦力和咬合力增大，使得砂卵石地層的抗剪強(qiáng)度提高，彈性模量增大。圍壓還能夠抑制砂卵石顆粒的側(cè)向變形，使試樣在軸向壓力作用下更加穩(wěn)定，減少試驗(yàn)過(guò)程中的不確定性。4.2.4數(shù)值三軸試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)EDEM軟件進(jìn)行三軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)，得到了不同圍壓條件下砂卵石地層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著軸向壓力的增加，砂卵石地層的應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性變化。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，此時(shí)砂卵石地層的變形主要是彈性變形；隨著軸向壓力的進(jìn)一步增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離線性，進(jìn)入塑性階段，砂卵石地層開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，顆粒之間的相對(duì)位置發(fā)生改變，部分顆粒發(fā)生滑動(dòng)和滾動(dòng)。在不同圍壓條件下，砂卵石地層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯差異。隨著圍壓的增大，砂卵石地層的彈性模量和抗剪強(qiáng)度顯著提高。在圍壓為50kPa時(shí)，砂卵石地層的彈性模量約為50MPa，抗剪強(qiáng)度約為100kPa；當(dāng)圍壓增大到150kPa時(shí)，彈性模量增大到約80MPa，抗剪強(qiáng)度增大到約200kPa。這是因?yàn)閲鷫旱脑黾邮沟蒙奥咽w粒之間的接觸更加緊密，顆粒之間的摩擦力和咬合力增大，從而提高了砂卵石地層的力學(xué)性能。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，還可以計(jì)算得到砂卵石地層的泊松比。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。通過(guò)對(duì)不同圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，得到砂卵石地層的泊松比在0.25-0.35之間，隨著圍壓的增大，泊松比略有減小。這表明在高圍壓條件下，砂卵石地層在軸向壓力作用下的橫向變形相對(duì)減小，材料的各向異性有所增強(qiáng)。數(shù)值三軸試驗(yàn)結(jié)果還顯示，砂卵石地層在破壞時(shí)呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞模式。當(dāng)軸向壓力達(dá)到一定值時(shí)，試樣內(nèi)部出現(xiàn)剪切帶，剪切帶內(nèi)的顆粒發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致試樣失去承載能力而破壞。這種破壞模式與實(shí)際工程中砂卵石地層在盾構(gòu)施工等荷載作用下的破壞模式相似，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值試驗(yàn)的可靠性和有效性。通過(guò)對(duì)數(shù)值三軸試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到了砂卵石地層在不同圍壓條件下的力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度等。這些參數(shù)為離散元模型的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定提供了重要依據(jù)，有助于建立準(zhǔn)確的砂卵石地層離散元模型，為后續(xù)的盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)和地表沉降模擬分析奠定基礎(chǔ)。4.2.5堆積角驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為了檢驗(yàn)細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定的合理性，進(jìn)行堆積角驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。堆積角是指散體物料在自然堆積狀態(tài)下，堆積坡面與水平面之間的夾角，它反映了散體物料的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。通過(guò)堆積角驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，評(píng)估離散元模型中細(xì)觀參數(shù)的準(zhǔn)確性。在堆積角驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，首先在EDEM軟件中建立堆積角模擬模型。模型中設(shè)置一個(gè)水平底面和一個(gè)可調(diào)節(jié)角度的傾斜面，將砂卵石顆粒放置在水平底面上，通過(guò)控制傾斜面的角度逐漸增大，模擬砂卵石顆粒在傾斜面上的堆積過(guò)程。在模擬過(guò)程中，采用標(biāo)定好的細(xì)觀參數(shù)，如顆粒的摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)等，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)備一定量的砂卵石試樣，將其緩慢傾倒在一個(gè)水平板上，逐漸堆積形成一個(gè)自然堆積體。使用量角器測(cè)量堆積體坡面與水平面之間的夾角，得到實(shí)際的堆積角。將數(shù)值模擬得到的堆積角與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的堆積角進(jìn)行對(duì)比分析。如果兩者結(jié)果相近，說(shuō)明標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映砂卵石顆粒的力學(xué)行為，離散元模型具有較高的可靠性；如果兩者結(jié)果差異較大，則需要重新調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行新一輪的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，直到數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符為止。在本研究中，通過(guò)多次堆積角驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行模擬時(shí)，數(shù)值模擬得到的堆積角與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的堆積角相差在5°以內(nèi)，滿足工程精度要求。這表明標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)是合理的，基于這些參數(shù)建立的離散元模型能夠較好地模擬砂卵石顆粒的堆積行為，為后續(xù)的盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)和地表沉降模擬提供了可靠的基礎(chǔ)。5.盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)模擬分析5.1面板式刀盤盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)模擬5.1.1離散元模型及參數(shù)取值基于前文構(gòu)建的砂卵石顆粒離散元模型和盾構(gòu)機(jī)三維機(jī)械模型，建立面板式刀盤盾構(gòu)施工的離散元模型。模型中，砂卵石顆粒區(qū)域尺寸根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行設(shè)定，以保證能夠準(zhǔn)確模擬盾構(gòu)施工對(duì)周邊地層的影響范圍。在某地鐵盾構(gòu)施工模擬中，砂卵石顆粒區(qū)域的長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)置為50m、30m、20m，足以涵蓋盾構(gòu)施工引起的顆粒流動(dòng)和地層變形區(qū)域。對(duì)于砂卵石顆粒的細(xì)觀參數(shù)，根據(jù)前文的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行取值。顆粒的彈性模量設(shè)置為50GPa，泊松比為0.3，這是基于砂卵石的實(shí)際物理力學(xué)性質(zhì)和大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的，能夠準(zhǔn)確反映砂卵石顆粒的彈性變形特性。摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5，恢復(fù)系數(shù)為0.3，這些參數(shù)考慮了砂卵石顆粒之間的摩擦和碰撞恢復(fù)情況，能夠真實(shí)地模擬顆粒在盾構(gòu)施工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和相互作用。盾構(gòu)機(jī)各部件的材料參數(shù)根據(jù)實(shí)際材料屬性進(jìn)行設(shè)置。刀盤采用高強(qiáng)度合金鋼材料，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3，這種材料能夠承受盾構(gòu)施工過(guò)程中的巨大切削力和沖擊力，保證刀盤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。螺旋輸送機(jī)的螺旋葉片采用耐磨材料，其彈性模量和泊松比根據(jù)材料特性進(jìn)行合理取值，密度為7500kg/m3，以滿足螺旋輸送機(jī)在排土過(guò)程中的耐磨性和強(qiáng)度要求。盾體采用厚鋼板材料，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3，能夠有效地保護(hù)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部設(shè)備，并承受地層的壓力。接觸模型方面，砂卵石顆粒之間以及顆粒與盾構(gòu)機(jī)部件之間均采用Hertz-Mindlin接觸模型。該模型能夠考慮顆粒之間的法向力、切向力以及滾動(dòng)摩擦力的影響，能夠更真實(shí)地模擬砂卵石顆粒在盾構(gòu)施工過(guò)程中的復(fù)雜相互作用。在模擬過(guò)程中，根據(jù)砂卵石顆粒的特性和實(shí)際工程情況，對(duì)接觸模型的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，如接觸剛度、阻尼系數(shù)等，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.1.2盾構(gòu)土倉(cāng)壓力控制盾構(gòu)掘進(jìn)土壓平衡機(jī)理是土壓平衡盾構(gòu)施工的核心原理。在土壓平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)刀盤切削土體，切削下來(lái)的土體進(jìn)入土倉(cāng)。通過(guò)控制螺旋輸送機(jī)的排土量和盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度，使土倉(cāng)內(nèi)的土壓力與開(kāi)挖面的水土壓力保持平衡，從而保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定。當(dāng)土倉(cāng)壓力大于開(kāi)挖面水土壓力時(shí)，土體被壓入地層，可能導(dǎo)致地表隆起；當(dāng)土倉(cāng)壓力小于開(kāi)挖面水土壓力時(shí)，地層土體可能涌入土倉(cāng)，引發(fā)地表沉降甚至坍塌。為了實(shí)現(xiàn)土壓平衡，需要對(duì)土倉(cāng)壓力進(jìn)行精確控制。土倉(cāng)壓力的控制方法主要有以下幾種：一是通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制排土量，從而調(diào)整土倉(cāng)壓力。當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)高時(shí)，提高螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，增加排土量，降低土倉(cāng)壓力；當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)低時(shí)，降低螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少排土量，提高土倉(cāng)壓力。二是通過(guò)控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度來(lái)調(diào)整土倉(cāng)壓力。當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)高時(shí)，降低推進(jìn)速度，減少土體進(jìn)入土倉(cāng)的量，降低土倉(cāng)壓力；當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)低時(shí)，提高推進(jìn)速度，增加土體進(jìn)入土倉(cāng)的量，提高土倉(cāng)壓力。三是通過(guò)向土倉(cāng)內(nèi)注入添加劑，如膨潤(rùn)土、泡沫等，來(lái)改善土體的塑流性和滲透性，從而更好地控制土倉(cāng)壓力。在本研究的數(shù)值模擬中，根據(jù)工程實(shí)際情況，設(shè)定土倉(cāng)壓力的初始值為150kPa，這是根據(jù)地層的深度、巖土性質(zhì)以及地下水情況等因素綜合確定的。在模擬過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土倉(cāng)壓力的變化，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度，以保持土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。同時(shí)，考慮到添加劑對(duì)土倉(cāng)壓力控制的影響，在模擬中設(shè)置了添加劑的注入量和注入時(shí)間，研究添加劑對(duì)土倉(cāng)壓力和顆粒流動(dòng)的影響規(guī)律。5.1.3數(shù)值模擬方案與步驟制定詳細(xì)的數(shù)值模擬方案，以全面研究面板式刀盤盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)和地表沉降情況。模擬方案設(shè)置不同的隧道覆土厚度，分別為1.5D（D為盾構(gòu)直徑）和1.0D，以研究覆土厚度對(duì)盾構(gòu)施工的影響。在不同覆土厚度工況下，設(shè)置不同的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，如刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力等，以分析這些參數(shù)對(duì)顆粒流動(dòng)和地表沉降的影響。刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為1.0r/min、1.5r/min、2.0r/min三個(gè)水平，推進(jìn)速度設(shè)置為30mm/min、40mm/min、50mm/min三個(gè)水平，土倉(cāng)壓力設(shè)置為120kPa、150kPa、180kPa三個(gè)水平。數(shù)值模擬的具體步驟如下：首先，在EDEM軟件中建立面板式刀盤盾構(gòu)施工的離散元模型，設(shè)置砂卵石顆粒和盾構(gòu)機(jī)各部件的參數(shù)，定義接觸模型和邊界條件。將砂卵石顆粒區(qū)域的底部設(shè)置為固定邊界，模擬地層的底部支撐；將砂卵石顆粒區(qū)域的四周設(shè)置為自由邊界，以模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中顆粒的自由流動(dòng)。然后，設(shè)置模擬的時(shí)間步長(zhǎng)和模擬時(shí)間。時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)砂卵石顆粒的最小尺寸和最大速度確定，以保證在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)距離不超過(guò)顆粒的最小尺寸，確保計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在本模擬中，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10??s，模擬時(shí)間根據(jù)盾構(gòu)施工的實(shí)際情況確定為1000s，足以模擬盾構(gòu)機(jī)在不同工況下的掘進(jìn)過(guò)程。在模擬過(guò)程中，啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)，設(shè)置刀盤的旋轉(zhuǎn)和盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。刀盤按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，盾構(gòu)機(jī)按照設(shè)定的推進(jìn)速度向前推進(jìn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的受力情況，包括刀盤扭矩、推力等；監(jiān)測(cè)土體的位移變化，包括土體的水平位移和豎向位移；觀察顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析顆粒的流動(dòng)特性；監(jiān)測(cè)刀具的磨損情況，記錄刀具的磨損量和磨損位置。利用EDEM軟件的后處理功能，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)和地表沉降規(guī)律。模擬結(jié)束后，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行整理和分析。對(duì)比不同工況下的模擬結(jié)果，研究覆土厚度、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)顆粒流動(dòng)和地表沉降的影響規(guī)律。將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)的建議，為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。5.1.4數(shù)值模擬結(jié)果分析通過(guò)數(shù)值模擬，得到了面板式刀盤盾構(gòu)施工過(guò)程中的受力、位移、顆粒運(yùn)動(dòng)和刀具磨損等結(jié)果，并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。在受力方面，模擬結(jié)果顯示，刀盤扭矩和推力隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的進(jìn)行呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在掘進(jìn)初期，刀盤扭矩和推力較小，隨著盾構(gòu)機(jī)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定掘進(jìn)狀態(tài)，刀盤扭矩和推力逐漸增大。刀盤扭矩和推力還受到覆土厚度、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度和土倉(cāng)壓力等因素的影響。隨著覆土厚度的增加，刀盤扭矩和推力增大，這是因?yàn)楦餐梁穸仍黾?，土體對(duì)刀盤的壓力增大，導(dǎo)致刀盤切削土體的阻力增大。刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的增加也會(huì)使刀盤扭矩和推力增大，因?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的增加會(huì)使刀盤切削土體的效率提高，從而增加了刀盤所承受的切削力。土倉(cāng)壓力對(duì)刀盤扭矩和推力也有一定的影響，當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)高時(shí)，刀盤扭矩和推力會(huì)增大，因?yàn)檫^(guò)高的土倉(cāng)壓力會(huì)使土體對(duì)刀盤的反作用力增大。在位移方面，模擬結(jié)果表明，土體的水平位移和豎向位移隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的進(jìn)行逐漸增大。在盾構(gòu)機(jī)前方，土體受到刀盤的擠壓作用，水平位移和豎向位移較大；在盾構(gòu)機(jī)后方，土體由于盾尾間隙的存在，會(huì)發(fā)生一定的沉降。覆土厚度、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)土體位移也有顯著影響。隨著覆土厚度的減小，土體的水平位移和豎向位移增大，這是因?yàn)楦餐梁穸葴p小，土體的穩(wěn)定性降低，更容易受到盾構(gòu)施工的影響。刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的增加會(huì)使土體的位移增大，因?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的增加會(huì)使盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體的擾動(dòng)加劇，從而導(dǎo)致土體位移增大。土倉(cāng)壓力對(duì)土體位移也有一定的影響，當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)低時(shí)，土體的沉降會(huì)增大，因?yàn)檫^(guò)低的土倉(cāng)壓力無(wú)法有效支撐開(kāi)挖面，導(dǎo)致土體坍塌和沉降。在顆粒運(yùn)動(dòng)方面，通過(guò)觀察顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)砂卵石顆粒在盾構(gòu)施工過(guò)程中呈現(xiàn)出復(fù)雜的流動(dòng)特性。在刀盤切削區(qū)域，顆粒受到刀盤的切削和攪拌作用，運(yùn)動(dòng)速度較快，方向雜亂無(wú)章。部分顆粒被刀盤切削后，沿著刀盤的開(kāi)口進(jìn)入土倉(cāng)；部分顆粒則在刀盤的攪拌作用下，在切削區(qū)域內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。在土倉(cāng)內(nèi)，顆粒在土倉(cāng)壓力和螺旋輸送機(jī)的作用下，向螺旋輸送機(jī)的出口流動(dòng)。螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和土倉(cāng)壓力對(duì)顆粒在土倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)速度和方向有重要影響。當(dāng)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，顆粒在土倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)速度加快，排土效率提高；當(dāng)土倉(cāng)壓力增大時(shí)，顆粒在土倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)速度會(huì)受到一定的抑制，排土效率降低。在刀具磨損方面，模擬結(jié)果顯示，刀具的磨損主要集中在刀盤的邊緣和刀具的切削刃部位。這是因?yàn)樵诙軜?gòu)施工過(guò)程中，刀盤邊緣和切削刃部位與砂卵石顆粒的接觸頻率最高，受到的摩擦力和沖擊力最大，從而導(dǎo)致刀具磨損加劇。覆土厚度、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度和土倉(cāng)壓力等因素對(duì)刀具磨損也有影響。隨著覆土厚度的增加，刀具磨損量增大，因?yàn)楦餐梁穸仍黾樱馏w對(duì)刀具的壓力增大，刀具受到的磨損也相應(yīng)增大。刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的增加會(huì)使刀具磨損量增大，因?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度的增加會(huì)使刀具與砂卵石顆粒的接觸頻率和切削力增大，從而加劇刀具的磨損。土倉(cāng)壓力對(duì)刀具磨損也有一定的影響，當(dāng)土倉(cāng)壓力過(guò)高時(shí)，刀具磨損量會(huì)增大，因?yàn)檫^(guò)高的土倉(cāng)壓力會(huì)使土體對(duì)刀具的反作用力增大，導(dǎo)致刀具磨損加劇。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到了面板式刀盤盾構(gòu)施工過(guò)程中顆粒流動(dòng)和地表沉降的規(guī)律，以及覆土厚度、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)這些規(guī)律的影響。這些結(jié)果為盾構(gòu)施工參數(shù)的優(yōu)化和地表沉降的控制提供了理論依據(jù)。5.2輻條式刀盤盾構(gòu)施工顆粒流動(dòng)模擬5.2.1離散元模型及參數(shù)取值為深入研究輻條式刀盤盾構(gòu)施工過(guò)程中的顆粒流動(dòng)特性，基于EDEM軟件建立輻條式刀盤盾構(gòu)施工的離散元模型。模型構(gòu)建時(shí)，充分考慮實(shí)際工程中的砂卵石地層特性以及盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。砂卵石顆粒區(qū)域尺寸設(shè)定為長(zhǎng)60m、寬40m、高30m，確保能夠全面模擬盾構(gòu)施工對(duì)周邊地層的影響。砂卵石顆粒的細(xì)觀參數(shù)依據(jù)前文的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行取值。顆粒彈性模量設(shè)為45GPa，泊松比為0.32，該取值與砂卵石實(shí)際物理力學(xué)性質(zhì)相符，能準(zhǔn)確反映其彈性變形特征。摩擦系數(shù)取0.55，恢復(fù)系數(shù)為0.28，這些參數(shù)綜合考慮了砂卵石顆粒間的摩擦與碰撞恢復(fù)情況，使模型能夠真實(shí)模擬顆粒在盾構(gòu)施工中的運(yùn)動(dòng)與相互作用。輻條式刀盤盾構(gòu)的各部件材料參數(shù)根據(jù)實(shí)際材料屬性設(shè)置。刀盤采用高強(qiáng)度合金鋼，彈性模量為205GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3，該材料能承受盾構(gòu)施工中的巨大切削力與沖擊力，保