本發(fā)明屬于盾構(gòu)工程，尤其涉及一種用于盾構(gòu)刀具切削鋼筋混凝土地連墻的數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)：

1、隨著軌道交通高速發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡(luò)逐步形成。在建設(shè)過(guò)程中，新建線(xiàn)路隧道下穿既有車(chē)站的情況時(shí)有發(fā)生。我國(guó)地鐵車(chē)站修建時(shí)常用地下連續(xù)墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，區(qū)間盾構(gòu)隧道近距離下穿通常需要穿越車(chē)站兩側(cè)的地連墻。若預(yù)留了玻璃纖維筋，盾構(gòu)可輕松破除。但我國(guó)地鐵建設(shè)速度快，線(xiàn)網(wǎng)調(diào)整時(shí)有發(fā)生，區(qū)間隧道經(jīng)常需穿越無(wú)預(yù)留的鋼筋混凝土地連墻。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前在蘇州、廣州、杭州、天津、無(wú)錫等多個(gè)城市的軌道交通建設(shè)中，均遇到區(qū)間隧道穿越鋼筋混凝土地連墻的情況，且隨著軌道交通線(xiàn)網(wǎng)的加密，該情況會(huì)越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)。常用的穿越方法是從地面施作豎井，在豎井內(nèi)對(duì)車(chē)站底部土體采用水平冷凍、注漿等方式加固，然后采用礦山法人工清障。人工清障法成本高、工期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大，如果采用盾構(gòu)直接切削穿越鋼筋混凝土，可有效縮短工期、節(jié)省成本、提升工程安全等，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2、盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土地連墻的技術(shù)瓶頸在于刀具對(duì)切削材料的不適應(yīng)性。盾構(gòu)刀具主要設(shè)計(jì)用于切削天然巖土體，而鋼筋混凝土是由兩種性質(zhì)差異很大的材料人工澆筑而成，其材料特性與天然巖土體存在明顯差異。盾構(gòu)切削鋼筋混凝土容易導(dǎo)致刀盤(pán)卡死、震動(dòng)沖擊過(guò)大以及鋼筋和混凝土渣塊過(guò)大堵塞螺旋出土機(jī)等問(wèn)題。目前盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土樁的技術(shù)已相對(duì)成熟，但工程風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)鋼筋混凝土地連墻的切削尚處于探索階段，只在極個(gè)別建設(shè)條件相對(duì)較好的工程中實(shí)施。因此，盾構(gòu)切削工程的核心在于選用合理的刀盤(pán)配置和掘進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)具備切削鋼筋混凝土的能力。

3、然而，目前對(duì)于盾構(gòu)切削鋼筋混凝土地連墻缺乏系統(tǒng)研究，全國(guó)范圍內(nèi)罕有關(guān)于盾構(gòu)直接切削鋼筋混凝土地連墻的施工方法。多數(shù)為介紹盾構(gòu)切削樁基障礙物或下穿既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的發(fā)明，如發(fā)明cn103670428a的刀盤(pán)配置能夠順利切削橋樁，cn114991790a、cn112983446a能夠順利近距離切削車(chē)站樁基，但面對(duì)鋼筋混凝土體量遠(yuǎn)大于樁基的地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其刀盤(pán)扭矩只能控制在額定功率的60％以?xún)?nèi)，面對(duì)鋼筋混凝土遠(yuǎn)大于樁基的地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，存在刀盤(pán)扭矩過(guò)大，刀具損傷過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)以及過(guò)長(zhǎng)鋼筋卡死螺機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)明專(zhuān)利cn112983441a，只是從監(jiān)測(cè)角度解決近距離側(cè)穿既有地鐵線(xiàn)路安全的問(wèn)題，而無(wú)法解決鋼筋混凝土障礙的問(wèn)題。發(fā)明cn202310575482.2，僅從施工經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，未能提供針一套盾構(gòu)切削鋼筋混凝土地連墻的研究方法。

4、發(fā)明cn202310839179.9、cn202310359976.7、cn202311790561.1，提供了針對(duì)盾構(gòu)切削鋼筋混凝土地連墻的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，較為直觀(guān)反應(yīng)了刀具切削鋼筋混凝土的效果。然而，室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法人工、材料成本巨大，且較難設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多種刀具配置和不同掘進(jìn)參數(shù)下的切削效果、破壞機(jī)理，難以對(duì)多種工況進(jìn)行對(duì)比，從而較難提出較優(yōu)刀盤(pán)配置和較優(yōu)掘進(jìn)參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種用于盾構(gòu)刀具切削鋼筋混凝土地連墻的數(shù)值模擬方法?？梢酝ㄟ^(guò)改變刀具的數(shù)量、布置位置以及掘進(jìn)速度，提供不同工況下的切削效果，從而得出較優(yōu)刀盤(pán)配置和掘進(jìn)參數(shù)。解決了滾刀類(lèi)刀具切削鋼筋混凝土?xí)r，難以模擬被動(dòng)自轉(zhuǎn)的難題，使得數(shù)值模型更加符合實(shí)際切削效果。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明的一種用于盾構(gòu)刀具切削鋼筋混凝土地連墻的數(shù)值模擬方法，包括如下步驟：

3、步驟1、構(gòu)建三維模型，包括盾構(gòu)刀盤(pán)模型、刀具模型、刀盤(pán)主體模型和鋼筋混凝土地連墻模型；

4、步驟2、將三維模型導(dǎo)入軟件后定義材料和截面屬性；

5、步驟3、對(duì)三維模型劃分網(wǎng)格；

6、步驟4、對(duì)三維模型定義剛性約束和綁定約束；

7、步驟5、對(duì)三維模型定義相互作用；

8、步驟6、創(chuàng)建分析步；

9、步驟7、設(shè)置邊界條件；

10、步驟8、數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)刀具切削鋼筋混凝土地連墻的數(shù)值模擬。

11、進(jìn)一步的，步驟1具體包括如下步驟：

12、步驟1.1、建立盾構(gòu)刀盤(pán)模型，盾構(gòu)刀盤(pán)模型包括刀盤(pán)主體和刀具；刀具分為不同尺寸的滾壓類(lèi)刀具和切削類(lèi)刀具；切削類(lèi)刀具與刀盤(pán)為焊接，與刀盤(pán)共同成為剛體，僅隨著刀盤(pán)公轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生切向力，但無(wú)法產(chǎn)生自轉(zhuǎn)；建立滾壓類(lèi)刀具較為復(fù)雜，需要配置刀箱、墊片、刀軸以及刀具本身；刀箱、墊片與刀盤(pán)焊接成為剛性體，而滾刀則需要依靠刀軸連接在刀箱內(nèi)；當(dāng)?shù)侗P(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾刀隨著刀盤(pán)公轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生切向力；當(dāng)滾刀接觸鋼筋混凝土?xí)r，由于摩擦力較大達(dá)到滾刀自轉(zhuǎn)條件，滾刀發(fā)生自轉(zhuǎn)產(chǎn)生滾動(dòng)力；

13、步驟1.2、建立刀具，根據(jù)實(shí)際刀具尺寸需要，采用solidworks軟件構(gòu)建滾壓類(lèi)刀具和切削類(lèi)刀具；其中，構(gòu)建切削類(lèi)刀具需調(diào)整刀刃底座的尺寸；構(gòu)建滾壓類(lèi)刀具時(shí)需調(diào)整刀刃、滾刀內(nèi)徑和滾刀整體厚度的尺寸參數(shù)；

14、步驟1.3、建立刀盤(pán)主體模型，刀盤(pán)主體作為刀具安裝的載體，需依據(jù)實(shí)際圖紙的尺寸建立三維模型；對(duì)于切削類(lèi)刀具，則無(wú)需預(yù)留位置，對(duì)于滾壓類(lèi)刀具需在刀盤(pán)主體上預(yù)留刀箱；預(yù)留刀箱后，在刀箱內(nèi)建立滾刀刀軸以及兩側(cè)墊片，形成刀盤(pán)主體；在構(gòu)建模型時(shí)刀箱在兩個(gè)方面預(yù)留空隙；一方面是滾刀和刀軸之間預(yù)留空隙，即滾刀厚度略小于刀軸軸距；另一方面是刀軸與滾刀內(nèi)壁之間預(yù)留空隙，即刀軸直徑略小于滾刀內(nèi)徑；

15、步驟1.4、裝配盾構(gòu)刀盤(pán)，采用面-面配合的方式，將切削刀安裝至刀盤(pán)正面相應(yīng)位置，與刀盤(pán)形成剛性連接；對(duì)于滾壓類(lèi)刀具則采用同軸心和同寬度兩種配合方法，將其中一個(gè)滾刀安裝至預(yù)留的刀箱位置中，其余滾刀通過(guò)陣列、旋轉(zhuǎn)的操作，安裝到相應(yīng)位置，形成刀盤(pán)和滾刀的裝配體模型，并最終形成盾構(gòu)刀盤(pán)；后續(xù)的盾構(gòu)刀盤(pán)模型，可按上述步驟，通過(guò)改變刀具布置的位置，形成不同的盾構(gòu)刀盤(pán)配置；

16、步驟1.5、建立鋼筋混凝土地連墻模型，使用solidworks建模軟件，依據(jù)實(shí)際圖紙尺寸，分別建立混凝土和鋼筋模型，并用同心圓配合的方式，將混凝土和鋼筋組配合裝配為鋼筋混凝土地連墻模型。

17、進(jìn)一步的，步驟2具體為：在property屬性模塊中依次選擇適用于模型中刀盤(pán)主體、刀具、混凝土和鋼筋的本構(gòu)、材料和截面屬性；其中刀盤(pán)主體和刀具選用剛體本構(gòu)，截面屬性為均質(zhì)實(shí)體；混凝土選用擴(kuò)展的drucker-prager本構(gòu)，截面屬性為均質(zhì)實(shí)體；鋼筋選擇johnson-cook本構(gòu)，截面屬性為均質(zhì)實(shí)體。

18、進(jìn)一步的，步驟3具體包括如下步驟：

19、步驟3.1、網(wǎng)格劃分，在mesh網(wǎng)格模塊中，對(duì)模型的各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；其中刀盤(pán)主體和刀具采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元類(lèi)型選擇為c3d10m四面體網(wǎng)格；鋼筋和混凝土采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元類(lèi)型選擇為c3d8r六面體網(wǎng)格，為模擬鋼筋和混凝土的失效行為，在單元控制中打開(kāi)element?deletion單元?jiǎng)h除選項(xiàng)；

20、步驟3.2、裝配整體模型，在assembly裝配體模塊中，將各個(gè)模型的部件裝配成一個(gè)整體，依照實(shí)際情況，將鋼筋混凝土地連墻放置在刀盤(pán)正前方。

21、進(jìn)一步的，步驟4具體包括如下步驟：

22、步驟4.1、定義剛性約束，定義剛性約束在interaction相互作用模塊中進(jìn)行，分別對(duì)刀盤(pán)主體和刀具進(jìn)行剛體約束的操作，具體步驟如下：

23、步驟4.1.1、定義刀盤(pán)主體約束，刀盤(pán)的約束為剛體約束，首先，在刀盤(pán)的幾何中心創(chuàng)建一個(gè)參考點(diǎn)1，然后在約束管理器中選擇創(chuàng)建約束，類(lèi)型選擇剛體rigid?body，指定區(qū)域region為整個(gè)刀盤(pán)，參考點(diǎn)reference?point選擇已經(jīng)創(chuàng)建的參考點(diǎn)1，完成刀盤(pán)主體的約束操作；

24、步驟4.1.2、定義刀具約束，刀具的約束為剛體約束，首先在滾刀的幾何中心創(chuàng)建一個(gè)參考點(diǎn)2，然后在約束管理器中選擇創(chuàng)建約束，類(lèi)型選擇剛體rigid?body，指定區(qū)域region為整個(gè)滾刀，參考點(diǎn)reference?point選擇已經(jīng)創(chuàng)建的參考點(diǎn)2，完成定義，若切削類(lèi)刀具焊接在刀盤(pán)上，則無(wú)需定義參考點(diǎn)；

25、步驟4.2、定義綁定約束，定義綁定tie約束在interaction相互作用模塊中進(jìn)行，首先將鋼筋外表面surface?steel和混凝土內(nèi)表面surface?concrete分別建立表面的集合，然后在約束管理器中選擇創(chuàng)建約束，類(lèi)型選擇tie綁定，主面選擇已經(jīng)建立的鋼筋外表面surface?steel，從面選擇已經(jīng)建立的混凝土內(nèi)表面surface?concrete，離散方式選擇面-面接觸surface?to?surface，完成定義。

26、進(jìn)一步的，步驟5具體包括如下步驟：

27、步驟5.1、定義接觸屬性，定義接觸屬性在interaction相互作用模塊中進(jìn)行，首先創(chuàng)建刀具與鋼筋混凝土之間的相互作用屬性，在相互作用屬性interaction?property管理器中選擇創(chuàng)建，類(lèi)型選擇通用接觸general?contact，命名為rigid-rein，其次，在力學(xué)行為選項(xiàng)中添加法向行為，壓力傳遞選擇“硬”接觸；接著添加切向行為，摩擦方程選擇罰函數(shù)，摩擦系數(shù)可選用0.3，完成定義；

28、創(chuàng)建滾刀與刀箱之間的相互作用，在相互作用屬性interaction?property管理器中選擇創(chuàng)建，類(lèi)型選擇面面接觸surface?to?surface?contact，rigid-rigid，接著在力學(xué)行為選項(xiàng)中添加法向行為，壓力傳遞選擇“硬”接觸；最后添加切向行為，摩擦方程選擇罰函數(shù)，摩擦系數(shù)可選用0.2，完成定義；

29、步驟5.2、定義接觸，定義接觸在interaction相互作用模塊中進(jìn)行，將刀具外表面surface?cutter和鋼筋混凝土地連墻待切削的網(wǎng)格單元surface?rein建立表面集合，為后續(xù)各部件的接觸操作進(jìn)行準(zhǔn)備；

30、首先，創(chuàng)建刀具與鋼筋混凝土之間的接觸，在相互作用interaction管理器中選擇創(chuàng)建，類(lèi)型選擇通用接觸，接觸屬性選擇已經(jīng)創(chuàng)建的rigid-rein，第一表面選擇刀具外表面集合surface?cutter，第二表面選擇地連墻面surface?rein集合，并將滾刀表面設(shè)置為主面；其次，在相互作用interaction管理器中，創(chuàng)建滾刀與刀箱之間的接觸，類(lèi)型選擇面面接觸，接觸屬性選擇已經(jīng)創(chuàng)建的rigid-rigid，第一表面選擇滾刀內(nèi)表面，第二表面選擇刀軸表面，約束方程選擇“罰”接觸方法，滑移公式選擇有限滑移，最終完成定義。

31、進(jìn)一步的，步驟6具體為：設(shè)置邊界條件在load加載模塊中進(jìn)行，分別對(duì)鋼筋混凝土地連墻和刀盤(pán)主題設(shè)置邊界條件。

32、進(jìn)一步的，步驟7具體包括如下步驟：

33、步驟7.1、設(shè)置鋼筋混凝土地連墻邊界條件，在邊界條件boundary?condition管理器中的選擇創(chuàng)建邊界條件，類(lèi)型選擇對(duì)稱(chēng)/反對(duì)稱(chēng)/非對(duì)稱(chēng)，區(qū)域選擇地連墻的四個(gè)側(cè)面和一個(gè)底面；

34、步驟7.2、設(shè)置盾構(gòu)刀盤(pán)的邊界條件，在邊界條件boundary?condition管理器中的選擇創(chuàng)建邊界條件，類(lèi)型選擇速度/加速度，區(qū)域選擇刀盤(pán)的參考點(diǎn)1，輸入刀盤(pán)的推進(jìn)速度v和公轉(zhuǎn)速度vr。完成定義。

35、本發(fā)明還公開(kāi)一種計(jì)算機(jī)裝置，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的步驟。

36、本發(fā)明還公開(kāi)一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序/指令，該計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的步驟。

37、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：

38、1)解決了滾刀類(lèi)刀具切削鋼筋混凝土?xí)r，難以模擬被動(dòng)自轉(zhuǎn)的難題，使得數(shù)值模型更加符合實(shí)際切削效果。

39、2)可以通過(guò)改變刀具的數(shù)量、布置位置以及掘進(jìn)速度，提供不同工況下的切削效果，從而得出較優(yōu)刀盤(pán)配置和掘進(jìn)參數(shù)。

40、3)節(jié)省了室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所需要的人力成本和材料成本，且具有可重復(fù)性。