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三维充气模型的建模变形空气塞与混凝土衬里接触
安安寥、惠尚、萧永蔲、俊皇和萧颖壮
摘要 弹性隧道堵漏是近年来在隧道中采用充气圆筒状气囊的一种新技术。用于隧道内的洪水，通过使用一个充气的圆柱形气囊和空气隐藏。本身是由纺织复合材料制成，强度高，重量轻，易于折叠。空气塞可以在短时间内膨胀，并与隧道内表面紧密结合，使流体在需要的位置停止。空气塞的使用为隧道运行中的突发事件和事故的应急响应提供了新的解决方案，如火灾的烟气筛选和降水的洪水。近年来，在隧道施工中利用空气塞来抢救事故的可能性正在探索中。本文研究了在无孔面失效情况下，利用气塞对土壤和水流进行过滤的可行性。采用膜元模型对插头进行建模，采用基于均匀压力法(UPM)的基于表面的流体建模，对插头的变形与压力之间的耦合进行建模。利用地对地接触相互作用模拟隧道衬砌与空气塞表面之间的摩擦接触。结果表明，对于埋深达20米的深埋深度，气塞可以提供足够的摩擦力来抵抗水和土的流动。
国际计算机力学进展会议，2017年8月02-04日，越南。
辽上商庄（下）
liaacute;o辽 shagrave;ng上 shāng商 zhuāng庄 （ xiagrave;下 ）
Department of Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University,
同济大学土木工程学院岩土工程系，
toacute;ng同 jigrave;济 dagrave;大 xueacute;学 tǔ土 mugrave;木 gōng工 cheacute;ng程 xueacute;学 yuagrave;n院 yaacute;n岩 tǔ土 gōng工 cheacute;ng程 xigrave;系 ，
Shanghai 200092, China
上海200092，中国
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A. Liao
廖先生
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X. Kou sdot; J. Huang
黄国光
huaacute;ng黄 guoacute;国 guāng光
Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd., Shanghai 200232, China
上海隧道工程股份有限公司，上海200232，中国
shagrave;ng上 hǎi海 suigrave;隧 dagrave;o道 gōng工 cheacute;ng程 gǔ股 fegrave;n份 yǒu有 xiagrave;n限 gōng公 sī司 ， shagrave;ng上 hǎi海 2 0 0 2 3 2 ， zhōng中 guoacute;国
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X. Zhuang
连续统力学研究所，莱布尼兹大学汉诺威，30167汉诺威，德国。
新加坡施普林格天然气私人有限公司2018
xīn新 jiā加 pō坡 shī施 pǔ普 liacute;n林 geacute;格 tiān天 raacute;n然 qigrave;气 sī私 reacute;n人 yǒu有 xiagrave;n限 gōng公 sī司 2 0 1 8
H. Nguyen-Xuan et al. (eds.), Proceedings of the International Conference
H. Nguyen Xuan等人。（EDS）国际会议论文集
H . N g u y e n X u a n děng等 reacute;n人 。 （ E D S ） guoacute;国 jigrave;际 huigrave;会 yigrave;议 lugrave;n论 weacute;n文 jiacute;集
on Advances in Computational Mechanics 2017, Lecture Notes in Mechanical Engineering, https://doi.org/10.1007/978-981-10-7149-2_8
关于计算力学2017的进展，机械工程讲义，HTTPS://DOI.Org/101007/98981-10-71492Y8
不引起隧道结构的过度变形。然而，谨慎地选择压力是避免隧道衬砌过度变形的重要措施。
bugrave;不 yǐn引 qǐ起 suigrave;隧 dagrave;o道 jieacute;结 gograve;u构 de的 guograve;过 dugrave;度 biagrave;n变 xiacute;ng形 。 raacute;n然 eacute;r而 ， jǐn谨 shegrave;n慎 de地 xuǎn选 zeacute;择 yā压 ligrave;力 shigrave;是 bigrave;避 miǎn免 suigrave;隧 dagrave;o道 chegrave;n衬 qigrave;砌 guograve;过 dugrave;度 biagrave;n变 xiacute;ng形 de的 zhograve;ng重 yagrave;o要 cuograve;措 shī施 。
Keywords Large deformation sdot; Inflatable plug sdot; Membrane Structure sdot; UPM Contact sdot; Tunnel
关键字 大变形sdot;充气塞sdot;膜结构公司芬欧汇川集团sdot;接触sdot;隧道
1介绍
近年来，我国的隧道和地下构筑物迅速发展，在开挖过程中发生了大量的事故和灾害，城市地质条件的复杂性日益增加。特别是水和泥浆的倒塌和涌入，可能会导致周围建筑物的地面移动和整个隧道的破坏。一般来说，这些由自然条件和人为错误引起的事故都是突然发生的，容易传播，迅速发展，并留下短时间的反应。一旦事故发生，两种措施，即阻塞和支持，通常被用来控制破坏和危害的扩散。采用快速硬化水泥或聚氨酯防水防护罩，有可能在一定程度上密封泄漏点，减少水的喷入量，改善压力状况。另一方面，根据定义，支持使用钢支撑来增加地下结构的刚度和强度，控制地表沉降。然而，这些传统的方法往往被证明是低效的，往往不是及时的，而且没有足够的移动，因为事故现场是事先未知的。因此，应该考虑和发展减轻威胁的新方法。
随着现代建筑技术的发展，膜结构开始广泛应用于20世纪中叶[1]。对薄型结构的建模仍然对迫切需要支持保护地下系统设计的计算方法提出了挑战;例如，在[2-15]有效的薄壳/膜配方中所作的贡献。另一个挑战是对钢筋混凝土结构的复杂行为进行建模，这些结构主要由几种不同的断裂机制所控制，包括弯曲、锚固和剪切破坏。在[16-22]中可以找到钢筋混凝土结构的有效配方。
两种膜结构是最常用的，即。、气膜结构和充气膜结构。在空气支撑的膜结构中，膜被拉伸以抵抗外部负载，通过充气或使用电缆以及其他刚性支架来覆盖大跨度。充气膜结构通常是一种可充气的塞子，其形状已被应用于许多领域，例如汽车安全气囊、用于火星探路者的安全气囊以及其他工业应用[23]。纺织复合材料和膜结构的发展提出了新的解决方案。
三维充气大变形气塞模型的建模
密封气体、火、水和泥浆。充气膜结构，即在管道或隧道的某一位置，通过在膜表面与结构表面之间形成的接触压力所提供的摩擦，可以在管道或隧道的某一位置提供柔性块[24]。与传统的密封方式相比，其优点是重量轻、响应快、维护成本低、操作方便、对现有设施的影响最小[25]。最近，在地下管道中使用了许多直径从50到2700毫米的充气管塞子，例如给排水。这些小尺寸的塞子在防止漏油、水和烟雾泄漏等方面具有经济和高效的作用。
同时，为了保护地下地铁隧道易受极端气候诱发的危险和恐怖袭击[26]，人们提出了大型充气插头。人们认识到，大型隧道的充气性插头首先由美国国土安全部科学技术总监[27]实施。该项目的目的是在运输地铁的某一区域发生洪水时抑制洪水,[28]设计并制造了一个全尺寸的原型，由一个由两个端帽封闭的圆柱形区域组成，由三层的Vectran材料制成，研究该系统的部署和密封特性。实验结果表明，该方法能有效地抵抗模拟洪水。显然，通过缩小受事件影响的区域，尽可能多地购买疏散工人、灌注桩加固以及部署内部支持系统等，可以大大减少损害。通过对隧道进行分区，可以在某些区域内控制危险;与此同时，相邻的也不会受到影响，也不会受到轻微的影响。充气大变形空气塞被认为是实现这一目标的灵活策略。
然而，现有的大多数空气塞应用和研究都集中在小管道的低压力流体的堵塞上。对于高压流体的大型型腔，气塞密封技术尚处于早期阶段，目前尚存在较少的研究，但在不考虑隧道衬砌变形的情况下，主要集中在形状、填料和材料特性上[29]。在隧道施工中使用空气塞进行减灾的可能性仍有待探讨。摘要研究了在施工过程中，利用空气塞对隧道内的土体和水流进行渗流的可行性，并对高内压下隧道衬砌的变形进行了密切的关注。
图1充气隧道塞子和右脸水流入块
2施工隧道充气塞的工作条件
膨胀式隧道塞的基本工作原理如图1所示。为了达到堵塞隧道的最佳效果，应满足以下条件:
(1)空气塞应放置在镗孔表面的一段，一旦出现灾难迹象，变形就会趋于稳定，确保有足够的时间使插头达到要求的形状和压力。
(2)与作业隧道相比，施工中隧道内的电缆和管道较少，大部分可以进行预处理或拆除。但是，如果在堵塞的地方有泥浆，摩擦系数可能会大大降低，而且在未完成的隧道中经常会有大量的泥浆。因此，在部署过程中，应清除可能造成缝隙和泄漏的大型设施，以及隧道部分的泥浆，尽可能地清洁。
(3)可用于膨胀塞子的方法取决于所包含的危害，且在通货膨胀时期有明显的差异[25]。为了使通货膨胀尽快发生，可以采用诸如释放压缩气体、使用受控化学反应或使用相变系统等方法。然而，快速的通货膨胀率可能意味着高风险的爆发和其他危险。为了承受高的外部压力，插头可以用液体充气，但是液体的自重会引起很大的沉降。简而言之，在这种情况下，抽气是一种安全、合适的方法。
(4)为保持插头的轴向稳定，有两种可能的方法，即，完全依赖于堵塞和隧道衬砌之间的摩擦或使用额外的机械锚来辅助[30]。在这两种选择中，前一种方法对隧道和充气塞的危害较小，而在锚固区有集中荷载。
下一节的数值模型是基于这些工作条件进行的。
3数值模型
利用Abaqus/显式对本文进行了数值模拟。在数值模拟中考虑了两个主要的组成部分，一个是正在施工的隧道的充气式空气塞，另一个是安装插头的隧道。其他组件包括辅助飞机，帮助折叠和移动插头[31]。
该插头由一个中间圆柱形区域和两个半球形端盖组成，忽略了填充端口。圆柱形区域是与隧道衬砌接触的基础部分，负责隧道的封闭。两个端盖的上游与泥浆和水有直接接触，而下游则是相当自由的。根据Barbero[25]的研究，圆筒的尺寸必须略大于隧道截面，以确保插头能适应管道和电缆，并能完美地适应隧道截面。该插头以膜元件为模型，其表面元件仅在平面内传输，且无弯曲刚度，其等效单层膜厚度为8mm。插头材料为线性弹性，密度为1300 kg/m3，杨氏模量为2000 MPa。
隧道，根据上海地铁隧道，是一个单层衬砌盾构隧道，在直接式的安装，外径为6.6米，内径5.9米，段厚度0.35米，环宽1.2米。每个内衬环由一个关键块、两个相邻块、两个标准块和一个拱块组成。两个环使用17 M30纵向螺栓连接，一个环上的块使用12 M30圆形螺栓连接。采用图2所示的分段联合模型，对隧道衬砌[32]的作用进行建模。钢条(图2中的黑色部分)嵌在线段中，钢筋与混凝土之间不会有任何相对位移。螺栓的螺母(图2中的红色部分)也嵌入到各部分的相应位置，但螺钉(图2中的蓝色部分)与节段无关。水停止，手洞，其他预埋件，隧道设施等，被忽略。线段和螺栓采用实心元素进行建模，而钢条则采用梁单元进行建模。当分析着重于插头本身时，例如，研究插头的轴向稳定性，可以将隧道衬砌简化为刚性壳体，并以刚性元件为模型。
段的材料，即C55混凝土是弹塑性的，根据非线性分析的平均强度设置参数。应力和应变的关系可以写成。
分析得出下表1列出了混凝土的一些重要参数及其值，混凝土的应力-应变曲线如图3所示。HRB400钢棒和级6.8螺栓都是理想的弹塑性材料。
段与段之间的接触，以及段与插头之间的接触是通过表面接触的接触相互作用的。接触关系的正常行为被定义为使用惩罚接触执行的硬接触，当表面接触时，任何接触压力都可以在它们之间传播。利用摩擦系数不同的基本库仑摩擦模型，实现了切向行为。不同段表面摩擦系数为0.4，段与塞之间的摩擦系数为0.3。
表1 C55混凝土参数值
|
[数]参数 |
数值大小 |
|
杨氏模量 |
35.5 GPa |
|
抗拉强度 |
3.35 MPa |
|
峰值拉伸应变 |
125 times; 10minus;6 GPa |
|
抗压强度 |
43.3 MPa |
|
峰值压缩应变 |
1832 times; 10minus;6 |
|
密度 |
2500 kg/m3 |
三维充气大变形气
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