基于离散元法的隧道开挖过程动力学分析

基于离散元软件PFC3D建立了土壤盾构离散元三维模型,研究隧道埋深以及振动激励对推进力和扭矩的影响。对土壤模型施加初始应力以模拟隧道埋深,同时对刀盘的推进方向和旋转方向分别施加主动余弦激振,分析了掘进过程中刀盘在振动激励下的运动方程和受力机理,记录了掘进过程中刀盘推进力及扭矩。结果表明:随隧道埋深增加,刀盘所需推进力以及扭矩会相应增加,其中700 m埋深与300 m埋深相比,推进力相比增加了22.7%,扭矩增加了12.6%;隧道埋深一定的情况下,对刀盘的推进方向和旋转方向分别施加振动后,刀盘的推进力和扭矩与匀速掘削相比均有所减少,其中对旋转方向施加频率为15 Hz振幅为6.36e-3 rad的振动后,推进力减小了2.08%,扭矩减小了1.2%;对推进方向施加频率为15 Hz振幅为0.318 mm的振动后,推进力减小了1.67%,扭矩减小了3.28%;而且改变振幅后,刀盘受力呈现一定的变化规律,随着推进方向振幅的增加,扭矩呈明显的减小趋势;随着旋转方向的振幅增加,推进力呈减小趋势。隧道的埋深对开挖的推进力和扭矩影响比较大,而对刀盘施加振动可以在一定程度上减小推进力和扭矩。