(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210562550.7 (22)申请日 2022.05.23 (71)申请人 南京南力科技有限公司 地址 210033 江苏省南京市栖霞区仙林街 道纬地路9号江苏仙林生命科技创新 园D7幢一楼101室 (72)发明人 刘春　刘辉　杨晓蔚　朱莉莉　 张鸿勇　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 专利代理师 陈建和 (51)Int.Cl. G06F 30/25(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种盾构隧道管片间错动变形过程的离散 元建模及数值模拟方法 (57)摘要 一种盾构隧道相邻管片之间变形过程的离 散元建模及数值模拟方法， 包括： 1)输入长， 宽， 高， 建立一个三维的长方体模型箱； 2)将模型中 需要的光纤材料和管片材料的材料属性， 即杨氏 模量， 泊松比， 抗拉强度， 抗压强度， 内摩擦系数， 密度共六个参数导入到模 型当中； 3)输入隧道的 半径和长度， 建立两个大小完全相同的隧道模 型； 4)设置两 隧道模型之间的间距； 5)输入光纤 模型的长度， 建立四个完全相同的光纤模型； (6) 在模型中调整四个光纤模型的位置， 使得四段光 纤模型在隧道的横截面上位于0 °， 135°， 180°， 225°； 7)设定另一侧隧道在Z方向 的位移， 使 其在 Z方向发生运动。 完成盾构隧道管片之间错动变 形的离散元定量建模。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115017786 A 2022.09.06 CN 115017786 A 1.一种盾构隧道相邻管片之间变形过程的离散元建模及数值模拟方法， 其特征是， 步 骤包括： (1)建立盾构隧道相邻管片应用的模型箱模型； 根据输入的尺寸建立模型箱， 模型箱上 部有一块压力板； 模型箱中不包 含颗粒单元； (2)给定力学性质输入指定的宏观力学性质， 包括： 杨氏模量， 泊松比， 抗拉强度， 抗压 强度， 内摩擦系数， 密度； (3)建立盾构隧道相邻管片模型； 输入制定的半径和长度， 建立两个大小完全相同的隧 道管片模 型， 大小完全相； 输入指定的长度， 建立四段大小完全相同的由连续颗粒单元构成 的光纤模型； (4)调整盾构隧道相邻管片模型位置： 在模型箱中， 输入指定的位移向量， 调整两段隧 道管片模 型的相对位置， 使得两者的中心线重合， 间距2c m； 同时调整四段光纤模型的位置， 使得光纤与隧道管片模型相贴合， 且在隧道横截面上， 四段用于应变与温度测量的光纤模 型分别位于 0°， 135°， 180°， 225°； 0°为隧道顶部； (5)锁定自由度； 锁定第一段隧道管片模型在X， Y， Z方向的自由度， 同时锁定第二段隧 道管片模型在X,Y方向的自由度， 使之只能在Z方向即垂直于水平位置发生 位移； (6)标准平衡； 在隧道管片模型建立完成后， 平衡隧道管片模型中的受力及能量和热 量， 使得整个隧道管片模型的状态趋 于稳定； (7)数值模拟； 设定隧道管片模型在Z方向的位移、 循环次数和时间步； 数值模拟过程中 每一步施加的位移＝总位移/(循环次数 ×时间步)， 循环次数越多， 时间步越大， 则每一步 的位移越小， 模拟过程越精确。 2.根据权利要求1的所述的建模及数值模拟方法， 其特征是， 试验采用两根直径5cm、 长 45cm的钢管， 并将直径2mm的聚氨酯光纤粘贴于钢管外壁， 两段管道之间预设距离为2cm。 在 横截面方向， 光纤布设于0 °、 135°、 180°、 225°方向； 位于0 °， 180°的光纤用于定量计算， 135 ° 和225°位置的光纤用于矫 正定量计算的结果； 在管道侧壁， 光纤呈 “S”字型布设。 3.根据权利要求1的所述的建模及数值模拟方法， 其特征是， A、 B之间的距离L为已知 量； 当隧道发生竖向剪切 变形后， 自由段光纤被拉长的距离为ΔL， 此时A、 B之间距离为(L+ ΔL)。 我们用峰值应 变求出ΔL的值， 即可求得隧道的竖向剪切变形： ε＝ΔL÷L           (1) 因此： 式中： ε为光纤轴向应 变， ΔL为光纤长度的变化 量， L为光纤原长， x为隧道的剪切变形。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115017786 A 2一种盾构隧道管片间错动变形 过程的离散元建模 及数值模拟 方法 技术领域 [0001]本发明是一种盾构隧道连接处(相邻管片)变形过程的离散元数值模拟过程， 可用 于定量计算。 背景技术 [0002]地铁是城市轨道交通的重要组成部分。 近年来， 为了解决城市交通拥堵的问题， 地 铁被大规模建设。 盾构隧道作为城市地铁的主要载体， 已被中 国各大城市广泛应用。 在盾构 隧道的建设过程中， 由于基坑开挖， 地面加载和卸载和地质条件变化的影响， 隧道周围土体 将会受到附加应力的作用。 随着使用时间的增加， 隧道受到附加应力的长期作用， 会出现不 同程度的变形和破坏。 目前对盾构隧道纵向沉降变形 的研究方法主要有两类， 第一类是理 论解析法， 第二类是数值模拟分析方法。 分布式光纤传感技术已被广泛应用与隧道变形监 测过程中， 但多为定性分析， 定量分析仍是急需解决的问题。 发明内容 [0003]为解决上述问题， 本发明目的是， 提出一种基于离散元算法开发了三维隧道不连 续段变形数值模拟器， 对盾构隧道(相邻管片)纵向沉降变形离散元建模及数值模拟。 根据 光纤与隧道的物理性质建立了光纤模型与隧道模型， 通过设定隧道纵向沉降的位移， 得到 光纤模型的应 变数据， 可与实际测量 值进行对比， 为定量分析提供依据。 [0004]本发明解决 隧道变形定量分析困难提出的解决方案是： 一种盾构隧道相邻管片之 间变形过程的离 散元建模及数值模拟方法， 其 步骤包括： [0005](1)建立盾构隧道相邻管片应用的模型箱模型； 根据输入的尺寸建立模型箱， 模型 箱上部有一 块压力板； 模型箱中不包 含颗粒单元； [0006](2)给定力学性质输入指定的宏观力学性质， 包括： 杨氏模量， 泊松比， 抗拉强度， 抗压强度， 内摩擦系数， 密度； [0007](3)建立盾构隧道相邻管片模型； 输入制定的半径和长度， 建立两个大小完全相同 的隧道管片模型， 大小完全相； 输入指 定的长度， 建立四段大小完全相同的由连续颗粒单元 构成的光纤模型； [0008](4)调整盾构隧道相邻管片模型位置： 在模型箱中， 输入指定的位移向量， 调整两 段隧道管片模型的相 对位置， 使得两者的中心线重合， 间距2cm； 同时调整四段光纤模型的 位置， 使得光纤与隧道管片模型相贴合， 且在隧道横截面上， 四段用于应变与温度测量的光 纤模型分别位于 0°， 135°， 180°， 225°； 0°为隧道顶部； [0009](5)锁定自由度； 锁定第一段隧道管片模型在X， Y， Z方向的自由度， 同时锁定第二 段隧道管片模型在X,Y方向的自由度， 使之只能在Z方向即垂直于水平位置发生 位移； [0010](6)标准平衡； 在隧道管片模型建立完成后， 平衡隧道管片模型中的受力及能量和 热量， 使得整个隧道管片模型的状态趋 于稳定；说　明　书 1/5 页 3 CN 115017786 A 3