高速公路隧道工程有限元分析
高速公路隧道施工动态监测与有限元数值模拟分析
２ 现 场 监控 量测 ２ １ 监 测 方 法 及 断 面 布 置 ． 隧道 施 工 过程 中 围岩 的 变 形 是伴 随开 挖 造 成 的 围 岩应 力 场 重 分 布而 发 生 的．因 此 对 围 岩 变 形 的 收敛 观 测 是 洞 室
开 挖 后 围 岩 和 支护 各 项 动 态 变 化 的综 合 性 因 素 最 为直 观 的
ｓ ｄ ｆ ｈ ｉ ｌ ｅ ｅ ｔ ｆ ｄａｅｔ ｏｋｉ ｔｎ ｅ ｃｎｔ ｃｉ ａｅ ｎｔｅｄ ｎ ｍ ｃｍｏｉ ｒ ｇａ ｄｓ ｌ ｔ ｙｏ ｅｄｓ ａ ｍ ｎ ｏ ｊｃｎ ｃ ｎｌ ｏ ｓ ｕ ｔ ｎｂ ｓｄｏ ｙ ａ ｉ ｎｔ ｉ ｎ ｍｕａ ｕ ｔ ｐｃ ａ ｒ ｎｕ ｒ ｏ ｈ ｏｎ ｉ —
０ 绪 论
岩 稳 定 性 较 差 ． 层 纵 波 波 速 为 １ ｍｓ １ ｍ ｓ 围岩 类 岩 ． ｋ ／ ． ｋ ／． ３ 一６
别 为 Ｖ类 。
近 年 来 我 国公 路 发 展 迅 速 ，建 设 重 点 逐 步 由东 部 平 原 地 区转 向西 部 山地 丘 陵地 区 ， 要 修 建 大量 的隧 道 。 需 而很 多 地 区地 质 条 件 复杂 ， 围岩 自稳 性 差 。 的 围岩 自稳 时 间很 短 有 或 者 没 有 自稳 时 间 ， 导致 来 不 及 完 成 临 时支 护 ， 别 是 拱 部 特 围岩 ，在 隧道 开 挖 失 去 承 载后 极 易 发 生坍 落 ，形 成 工 程 事 故 。而 对 隧道 施 工 过 程进 行 动 态 监 控 监测 并 采 用 数 值 分 析
【 键词］ 公路隧道； 关 动态监测； 数值分析； 有限元法 【 中图分类 － Ｕ ５ 【 献标识码】 ［ ￣］ ４ ６ 文 Ａ 文章编 号］０ ５ ６ ７ （０ ０ ０ — ０ ８ ０ ￣０ — ２ ０ ２ １ ｝ １ ０ １ — ３
隧道衬砌结构安全性的有限元数值模拟分析
２０ ０７年 １ Ｏ月 ２ 日收 到 ６
道 衬砌 设 计 和 施 工 的 安 全 可 靠 性 提 供 科 学 依 据 和
技 术指 导 ， 为进一 步 的工 程研 究积 累资 料 。 并
１ 工程概况
隧道所 处 区域 为 低 谷 、 谷 地 带 ， 形 起 伏 较 沟 地
下工 程更 为 必 要 。隧 道 衬 砌 的 投 资 约 为 隧道 全 部
参 数 ， 利 用五 种结 构 可靠度 分 析 法计 算 明洞与 隧 并 道衬 砌结 构可 靠指 标 ， 今 后 进 一 步 寻求 隧道 结 构 为 设 计 安全 系 数 与 可 靠 指 标 之 间 的 对 应 关 系 奠 定 基 础 。吴德 兴等 在 基 于 有 限元 响 应 面 法 的 隧 道 衬
＠ ２ ０ Ｓｉ ｅｈ Ｅ ｇ ｇ ０ ８ ｃ．Ｔ ｃ ． ｎ ．
隧 道 衬 砌 结 构 安 全 性 的 有 限 元 数 值 模 拟 分 析
冯文文 李 守 巨 刘迎曦
（ 大连理 工大学工业装 备结 构分析国家重点实验室 ， 大连 １６２ １０ ４）
摘
要
利用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元分析软 件， ＮＹ 对某公路 隧道 的设 计与开挖过程进行 了仿真分析。采用二 维弹塑性有限元分析方法 ，
评 价衬砌 强 度 的安 全 性 ， 亟 待 解 决 的问 题 。 国外 是 很 多学者 对 隧 道 开 挖 的 有 限元 模 拟 以及 衬 砌 强 度 安全 性做 了相 关研 究 Ｊ 国 内学 者 在隧 道衬 砌 可 。
砌可靠度分析 中， 结合具体 的隧道 工程 ， 运用有 限
元 响应 面法 对 确定 的最 危 险截 面 进 行 了 数值 分 析 ， 计 算 出隧 道 衬 砌 可 靠 度 指 标 。计 算 结 果 对 确 定 公 路 隧道 长 期 安 全 性 的 可靠 度 水 平 具 有 一 定 的参 考 价值。
公路隧道施工过程数值模拟与分析
逸 １７ ３
６
重 ＼ 遨
星
＼
Ｌ Ｌ ｃ；
０ ５ ０ ５ ０ ５ ０ ５ Ｏ
道 围岩 的应 力 、位移状态以 及支护 结构的受 力变形情 况等 ，根据计算结果分析得 出一些规律性 的结论 ，这对评
价 围岩稳 定状 态 ，优化设计支护参数及施 工工法 均具有 直接的指导意义 。
１ 公路 隧道群施 工过程数值模拟
张石 高速 公路化稍 营至蔚 县 （ 保界 ）段 ，线路 穿越 路段地 貌单元 主要为桑干河 盆地 一蔚县盆地 区低 山 张
．
．
离下 台阶 边墙２ Ｏ ．ｍ～４ ０ ．ｍ范 围内 ，值为 １６ ａ ．ＭＰ ，满足 围岩抗压 强度要求 ；下 台阶边墙 出现塑性 区
，
向 围岩 内
本文 中使 用ＭＩ Ｓ ＧＴ 有限元分析软件模 拟单 洞隧道 Ⅲ、Ⅳ、 Ｖ类 围岩 条件下深埋隧道施工的过程 。理 ＤＡ ／ Ｓ 论分析 表 明 ，在均 质弹性 无限域 中开挖 的 圆形隧 道 ，由于荷载释 放而 引起的洞室 周 围介 质的应力和位移 的变 化 ，在 ５ 倍洞径 范 围之 外将小于 １ ％，在 ３ 倍洞径 之外约小于 ５ ％。在本工程 中分 离式隧道两 线间距为６ ｍ，洞径 ５
素平 等 出了以对数 函数描 述岩石蠕 变的粘弹性模 型进行 围岩稳定性的力学分析 。国内外许 多学者将其 应用 提 于节理 岩体的力学分析 中，如 日本学者Ｋａ ｍｏｏ 国内学者孙钧 、李术才等 。 ｗａ ｔ及 科学技 术的不断进步 ，使得 解决隧道工程 问题 的数值 模拟理论和方法发展迅速 。各种数值 方法 的不断成功 应用 ，深 化 了人们对许 多隧 道工程地质现象的理解 ，并 有力地推动 了隧道工程学科 的定量化进程 。不同类型的
隧道开挖ansys模拟分析
隧道台阶法开挖的有限元模拟分析1.力学模型的建立岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。
建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。
在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。
考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。
根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。
因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。
对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型：（1）“先开洞，后加载”在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。
（2）“先加载，后开洞”这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。
两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。
在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。
在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。
对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。
弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为}{}]{[}]){[]([}{][}{0σεεεσd d D d D D d D d p ep +=-== （1） 式中，][D —弹性矩阵，][p D —塑性矩阵。
双连拱隧道有限元分析
本 文对 某 双 连 拱 隧道 进 行 结构 分 析 ， 用 有 限 采 元 法 ， 立结 构及 围岩 分析模 型 ， 点研 究在偏 压 荷 建 重 载条 件下 连拱 结构 的应 力 分 布 特 点 ， 研 究 了不 同 并 围 岩类 型及地 质条 件对 结构 应 力分 布 的影响 。
维普资讯
第３卷 ， ｌ ｌ 第 期
２００６ 年 ２ 月
中 南 公 路 工 程
Ｃｅ ｔａ ｏ ｔ ｇ ｗａ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｎ ｒ ｌＳ ｕ ｈ Ｈｉｈ ｙ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖｏ ． １ ３１． ｏ． Ｎ １
Ｆ ｂ ．，２００６ ｅ
［ ｂｔ ｃ］Ｔ ｅｆ ｉ ｎｌ ｉ ｍ ｄｌ ｓ ｓ ｂｉ ｅ ｏ ａｔｉ ａ ｈ ｄｔｎ ｅ ａ ｄｔｅｓｒ ｕ ｄｎ ｏｋ ． Ａ ｓｒ ｔ ｈ ｎｔ ａａ ｓ ｏｅ ｉ ｅｔ ｌｈｄｆｒ ｎ ｒ ｅ ｎｌ ｎ ｕｒ ｎ ｉ ｒ ｓ ａ ｉ ｅ ｙｓ ａ ｓ ｗ —ｃ ｕ ｈ ｏ ｇ ｃ
减 少拆 迁 ， 低工 程 费用 。 降
１ 工 程 概 况
该 双 连 拱 隧 道 全 长 ｌ５ｍ， 道 最 大 埋 深 为 ４ １ 隧 ６
ｍ 。
双 连拱 隧道 的应 用解 决 了分离 式 隧道所 存在 的 问题 ， 因其 开挖 断 面跨度 明 显增 大 ， 其 高跨 比很 但 且 小 （ ．） 导致 其 受 力 结 构 复 杂 ， 开 挖 与支 护 相 ≤０ ４ ， 且 互交 错 ， 工 过程 中体 系需 经多 次转 换 ， 得 围岩 应 施 使 力变化 和衬 砌荷 载转 换 变 得 十 分 复 杂 ， 连拱 隧 道 对 的力学 性 质很难 进 行深 入 的研究 。若 结构 分析 不合 理 或施工 方 法 与工 艺 不 当 ， 极 有 可 能造 成 双 连拱 将 隧道大 面积 垮塌 、 次衬 砌开 裂 、 二 中墙 开裂 和渗 漏水 等 危害 。 由于 目前 国 内外 有关 双连 拱 隧道 的研究 为 数不 多 ， 设计 和施 工 无 规 范 可 循 ， 因此 ， 必 要 对 双 有 连拱 隧道 进行力 学 分 析 ， 识 双 连拱 隧道 这 种 结 构 认
高速公路隧道中地表沉降监测及有限元分析
高 速公 路 隧道 中地 表 沉 降监 测 及 有 限元 分 析
张晓妮
（ 湖南交通职业技 术学 院， 湖南 长沙 ４ ０ ０ ） １０ ４
摘
Hale Waihona Puke 要： 介绍 了某高速公 路 隧道 工程 场地表 沉 降监测 情 况 ， 结 了地表 沉 降 的规 律 。采 用 总
有 限元软 件进 行数 值模 拟计 算 ， 值计 算和 现场 监测 结果 吻合 良好 ， 明隧道 施工基 本 符合设 数 表
４ 动 点
、
一 ， ｌ １ ， 、 ｄ ～ ， 、 Ｉ １ ． ’
一 ＾ ： 目． 二 — — —— ——。 —— Ｊ
注： 左右 侧均 以面对 河源端为准 。
一
图 １ 监测测 点横 断面布 置（ 单位 ： ｍ）
线 。ｋ０ ２８＋１５ ｋ０ ７ 、２ ８＋４７ ｋ０ ２ 、２ ８＋９５断 面均 采 用 ８
维普资讯
第３ ２卷第 ３期 ２０ ０６年 ９月
湖
南
交
通
科
技
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ３ １３ ． Ｓ ｐ． ００ ｅ ２ ６
ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩ ＣＡＴＩ ＯＮ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＣＹ
文章 编号 ：０ ８８４ ２０ ）３０５ －３ １０ －４ Ｘ（０６ ０ —１４０
面法 施工 。在 ｋ ０ ４１５ ｋ ０ ４ ２ ｋ０ －８ ２ ８＂ ７ 、２ ８＂ ７、２ ８４ ５这 － － ４ ９
３个 断 面布 置 了地 表 变 形 观 测 点 ，２８＋１５ ｋ０ ｋ０ ７ 、２８ ＋ ２ 、２８＋ ８ ４７ ｋ０ ９ ５中点 距 离 洞 顶 垂 直 距 离 分别 为 ８ ｍ、 和 １ ６ｍ ３ｍ左 右 。在 每个 横断 面 上布 置 １ １个测 点， 两测 点 的距 离 为 ２—５ｍ。布 置 的原 则 是在 隧 道 中线附 近 测 点 应 布 置 密 些 ， 离 隧 道 中 线 应 疏 些 远
基于有限元分析的隧道预留变形量设置研究
右洞 起讫 里 程 为 ＹＫ１ １ ＋０ ８ ８ ～Ｙ Ｋ１ １ ＋３ １ ４ ． ７ ７ ， 长
７ ２ ２ ６ ． ７ ７ ｍ， 左右 洞均 为直线 ， 两洞最小 间距 ２ ５ ｍ。 隧道 最 大埋 深 ５ ８ ９ ｍ， 断 面净宽 １ ０ ． ２ ５ ｍ， 限高 ５ ｍ，
公路 隧道
２ ０ １ ５年 第 １期 （ 总第 ８ ９期 ）
基 于 有 限 元 分 析 的 隧 道 预 留 变 形 量 设 置 研 究
李 自强 于 丽 王 明年
（ 西南交通 大学 土木学院 成都 ６ １ ０ ０ ３ １ ）
摘 要 目前隧道 预留变形 量通 常根 据工 程类 比法 进行设 置 ， 缺乏 联 系实 际的理论 指 导极易 造成 资源 浪
进度 。
关 键 词 深埋 隧道
硬岩
预 留变形量
有 限元 １ ． ２ 超 挖量 、 预 留 变 形 量 与 出 土 量 的 关 系
新 奥法 是 目前 国 内外 隧道 工程 中普遍 采取 的施
工方 式 。预 留变 形 量 则 是 新 奥法 中一 个 重 要 的理
实践 表 明 ， 因为隧道 施 工技 术有 限 ， 系统超 挖量
２ 有 限元 分 析
采用 有 限元 软 件对 实 际工 程 进 行 模 拟 ， 能 够 有
量
效 的为其 施 工设计 提 供理论 依 据跚 。本 文首先 对 虹 梯关 隧道 进行 数值 模 拟 ， 分 析其 周边 围岩 的变 形 。
２ ． １ 设 计 概 况
虹梯 关 隧 道 为 左 右 线 分 离 式 ， 全长 １ ３ ． １ ｋ ｍ。
隧道及地下工程结构设计计算方法与应用
隧道及地下工程结构设计计算方法与应用隧道及地下工程结构设计计算方法与应用是地下工程领域的重要内容，它涉及地下结构的力学性质、强度、稳定性、变形等方面，是地下工程设计中不可或缺的一环。
在地下隧道工程中，结构设计计算是确保工程安全、稳定和经济的重要条件之一。
隧道及地下工程结构设计计算方法主要包括有限元分析、离散元分析、动力弹塑性分析、地下水流动分析、材料力学性能分析等方面。
其中，有限元分析是一种广泛应用于隧道及地下工程结构设计计算中的数值分析方法，它能够通过对工程结构进行离散化处理，利用有限元法求解结构的受力与变形情况，从而为工程设计提供可靠的依据。
在地下工程结构设计计算中，隧道工程的承载、抗弯、抗剪、抗风、结构变形等性能都需要进行计算和分析。
首先是隧道工程的承载性能设计，它需考虑地下结构的受拉、受压、受弯和扭转等力学性质，以确定结构的截面尺寸、钢筋配筋等参数；其次是隧道工程的抗震性能设计，根据地震作用力求解结构的地震响应，确定结构的抗震设计参数；另外，还需对结构的变形和稳定性能进行计算和分析，包括地下水流动对结构的影响、地下岩土对结构的作用等。
隧道及地下工程结构设计计算方法的应用是隧道工程设计的核心内容之一。
通过计算方法的应用，可以对地下工程结构的力学性质、强度、稳定性和变形等进行准确的评估和分析，为工程设计提供可靠的依据。
例如，在地下隧道工程设计中，通过有限元分析和离散元分析等方法，可以对隧道结构在不同荷载作用下的应力、变形、破坏等进行计算和分析；通过动力弹塑性分析，可以评估地震作用下隧道结构的抗震性能；通过地下水流动分析，可以确定隧道结构在地下水压力作用下的稳定性。
总之，隧道及地下工程结构设计计算方法与应用是地下工程设计中的重要内容，它直接影响到工程的安全、稳定和经济。
在地下工程领域，我们需要不断探索和完善设计计算方法，提高计算准确度和可靠性，为地下工程的设计、施工和运营提供更好的技术支持。
ANSYS学习的一些心得--隧道开挖的有限元分析
由于水平有限，不足之处，敬请谅解！ANSYS学习的一些心得--隧道开挖的有限元分析推荐的基本参考用书1.《ANSYS7.0基础教程与实例详解》或《ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解》，都是“中国水利水电出版社”的如果要系统地学，最好从基础学起，后面我会具体介绍一下我学习中的一些小小的经验和体会。
2.李权.ANSYS在土木工程中的应用.人民邮电出版社，2005这本书讲的都是实例，基本囊括土木工程中的所有项目，针对每一个实例的操作步骤写的也比较详细。
初学者可以照着练习，但对打基础帮助不大。
关于隧道的那一节，书上的例题考虑材料属性时将岩土简单的设成线性的，而实际工程往往要用非线性来考虑，这就需要再输入材料属性的时候注意了，将岩土材料考虑成弹塑性时，一般材料用Drucker-prager(D-P)屈服条件来输入，具体是在Mainmenu>preprocessor>Material props> MaterialModels,在弹出的对话框中双击structure>Nonliner>Inelastic>Non-metalPlasticity >Drucker-prager，在弹出的对话框中输入粘聚力（cohesion）和内摩擦角(fric angle)，如直接输这两个参数，ansys会提示先输入弹性模量以及泊松比，照常输入弹模和泊松比后即可输入C和φ。
3.ANSYS土木工程应用实例，中国水利水电出版社这本书有很多命令流的介绍，还有一些分析方法的介绍，对后期学命令流操作还是很有用的。
要学习ANSYS的命令流，有这本书帮助会很大。
4.《ANSYS9.0经典产品高级分析技术与实例详解》中国水利水电出版社。
这本书介绍了参数化（APDL）有限元分析技术，优化设计，单元生死技术等，是在学习的提高阶段不错的一本书，在做隧道的开挖模拟时，单元生死技术是很关键的，该书的第四篇对单元生死技术有比较详细的讲解，另外还有个基坑开挖的实例，跟隧道的开挖其实也是同出一辙。
极限平衡法和有限元边坡稳定分析法在盾构隧道穿秦淮河堤防工程中的研究与应用
４ １ 三 维模 型 的 简化 ．
管 线 影 响 段 堤 防 土 体 可 分 为 三
部分 ， 如 １ 所示 ， ： 即 管线 范围土体
曩 嘲簟
图 １ 盾 构 隧 道 影 响段 平 面 图
（ 中 Ｂ Ｂ剖 面 ）管 线 两 侧 土 体 （ — 图 — ， Ａ
５２ 安 全 系数 ．
因 极 限 平 衡 法 计 算 忽 略 两 侧 土 体 的侧 向 阻滑 作 用 ， 线 段 土 体 宽 仅 管
析参考该结论。 计算过程 中未考虑挡 墙下置换 的素混凝土桩 的阻滑作用 ， 仅作为安全储备 。
４３ 软 弱 土 层 强 度取 值 ．
仅 由滑 弧 面 上 的剪 切 摩 阻 力 平 衡 。
４２ 隧道 及 桩 基 简化 ．
搅 拌 桩 、 构 隧 道 对 滑 动 土 体 有 盾
图 ２ 地质剖面 图
加 筋 作 用 ， 抗 滑 有 利 ， 定 分 析 过 对 稳
２１ ０ 第 ６期 １年
江苏 水利
由于盾 构管线的加筋 阻滑作用 ， 堤坡
由 于 盾 构 刀 盘 难 以 破 除 钢 筋 混 凝 土 灌注桩 ， 计将 钢筋混凝 土灌注桩提 设 前 拔 除 ， 换 成 素 混 凝 土 桩 ， 在 盾 置 并 构 隧道段 堤 防后 侧及 两侧 局部 增设
抗 滑 桩 补 强 ， 构 隧 道 影 响 段 平 面 见 盾
南 京 下 关 区 ２ ０ｋ 变 电 站 送 电 ２ Ｖ 工 程 采 用 盾 构 隧 道 穿 越 秦 淮 河 ， 缆 电
土 体 自身 能 够 稳 定 ， 加 同补 强 措 施 则
能 满 足 堤 防 抗 滑 稳 定 要 求 ， 只 要 对 现 该 段 土 体 进 行 分 析 即 可 。 为 简 化 计 算 ，不 考 虑 两 侧 土 体 侧 向 阻 滑 作 用 ， 滑 裂 面 内 土 体 重 力 产 生 的 滑 动 力 矩
隧道施工中洞口边仰坡稳定性三维有限元分析
=0
l
பைடு நூலகம்
dl
0
dl
0
式中,
c=
c F
( 1)
=
a tan
tan F
( 2)
所谓的强度折减就是利用 ( 1) 和 ( 2) 的公式来
调整土体的强度指标 c 和 , 其中 F 为折减系数, 然
后对土坡进行有限元分析, 通过不断的改变折减系数 F , 进行反复分析, 直到坡体达到临界破坏, 此时的 折减系数即为安全系数 Fs [ 6,7] 。
用强度折减有限元法分析边坡的稳定性, 可以不 需要假定滑移面的形状, 而且可以考虑土的实际应力
应变关系, 并且当系统处于极限状态时, 土体和支挡
结构的强度得以充分发挥。
1 2 破坏的判据
用强度折减法分析边坡稳定性的一个主要问题是
根据有限元计算结果如何来判别边坡是否处于破坏状
态。目前的边坡失稳判据主要有两类:
ZH U He hua, LI Xin xing, CAI Yong chang , DING Wen qi ( Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: T aking Madehe twin tunnel engineering of the Sixiao expressway in Yunnan province as an example, a 3D nonlinear FEM simulation on the dynamic excavating procedure of the scheme of upper and down benching is processed The topography and geography conditions of the tunnel site are taken into account An analysis on safety factor of slope through strength reduction method is presented The results show that the excavation has great effect on the safety factor During the ex cavation, the safety factor is reduced gradually and finally it tends to stability The strength reduction method is proved to be possible for stability analysis and the results have important guiding significance for construction of the tunnel Key words: Twin tunnel; 3D nonlinear FEM; Tunnel slope; Strength reduction method; Stability
隧道开挖的数值分析
隧道开挖的数值分析摘要：随着城市范围的日益扩大，地铁使用盾构进行隧道开挖的工程数量日渐增多。
隧道开挖与支护工程是一个多步骤加载、卸载的复杂过程。
用有限元方法来模拟这个隧道开挖以及衬砌支护过程，计算得到最后的地表变形，隧道开挖面的应力变形以及衬砌本身的受力特点及变形。
本文采用有限元程序ABAQUS来进行数值分析。
在有限元值模拟过程中土体的本构模型采取无剪胀的摩尔-库仑模型；用初始应力提取法来完成初始地应力平衡；将开挖土体的模量衰减来模拟土体的在衬砌完成前的部分应力释放。
计算结果表明地表沉降(Y向)变形最大值出现在隧道中心线位置，地表变形(X向)的峰值出现在隧道侧边区域内。
其次，衬砌的支撑作用十分明显，与无衬砌的情况相比地表变形减少了25%~40%，同时开挖面的应力和变形也相应减小。
最后，衬砌本身表现为弯曲变形的特点，其应力最大值出现在隧道侧边最外侧边缘处。
关键词：有限元数值分析；隧道开挖；衬砌；地表变形；ABAQUS0 引言随着我国经济的快速增长，为了满足现代生活的便捷，舒适，高效的要求，城市的基础设施的建设就变得更加重要。
随着城市的地域的扩大，城市人口增多，各地区功能性的强化及人们日常的活动区域的不断扩大，地面道路交通越来越难以满足人们日常出行的要求。
继北京、上海等特大城市修建了多条地铁之后，越来越多的中大型城市如广州、杭州等开始修建地铁线路，以缓解城市的地面交通压力。
隧道开挖工程数量的剧增，加之现场一般位于城市繁华区，存在较为密集的建筑群。
所以更迫切的需要相应的理论研究能指导现场的施工，解决现场出现的各种问题，同时减小对地面原有的建筑造成不良的影响。
因土体材料本身为非均质材料，而且因地区不同，土体材料的性质也各不相同；同时开挖过程又是一个极复杂的卸载、加载的多步骤过程，所以隧道开挖问题很难有精确的理论方法。
随着近年来计算机技术发展、有限元方法的不断完善，数值分析方法被认为是一种求解工程中所遇到的各种复杂问题的最有效方法之一[1,2]。
公路隧道复合支护非线性有限元分析
态特性以及变形情况密切相关 ， 其本身就是一个 动 态平衡， 是各 因素相互影响作用的结果。
３ 数 值 实现方 法
随着地应力逐步释放和岩体暴露 以及施工过 程的影响 。岩体的强度也会受到一定程度 的损伤 。 因此 ，在 开挖 过 程 中围岩 的 强度 不是 一成 不变 的 ， 而是一个动态 的过程 。在传统的开挖模拟过程中 ， 并没有考虑到岩体弱化的性质 ， 在计算支护受力状 况变化过程也是片面的。因此 ， 在本文计算过程 中
后 单 元 的等 效 应 力 ； 为与 岩体 均匀 性 有 关 的 ｍ ｗ ｉｕ 参数 ， ｅ ｌ ｂｌ 由于在此假定岩体是均匀的 ， ｍ ｌ 令 ＝，
则：
心 ）
（ ５ ）
开挖过程 中． 除岩体性质改变对支护和岩体受 力特 性密 切 相关 以外 ， 开挖 面 的空 间效 应也 是 主要
Ｕ 一 ＝ （ （－，） （ （ ，） （） ｒ ｏ）占 ＝ ）８ ２ 式 中： 为开挖释放能 ； Ａ Ｕ 为支护受力吸收能。从 上式可得 。 支护的受力状态 与支护 刚度 、 岩体 的动
＝
ｌ． 。隧道区基本上基岩出露 ， ２ ２ｍ ４ 山体表面薄层残
坡积物 ． 局部沟谷位置有较厚的冲洪积堆积。选择 桩号 Ｙ １＋ ０ Ｋ ４９． ２断面进行开挖模 拟 ， 开挖过程为上 下台阶法 ， 有限元模型网格划分见图 １ 初期支护选 。 择梁单元 ， 选择 实体单元模拟二衬 ， 锚杆选择梁单 元， 围岩选择实体单元。
摘 要： 该文 引入损伤 因子对岩 体弹模进行弱化 处理 ， 从能量 守恒 的角度 出发 ， 探讨 了支护 受力状 态与支护位
移、 结构刚度以及 岩体性质的关 系。在 此基础上 ， 用数值方法对其进行 了模拟 。 并验证 了模拟结 果与监测数据的
基于有限元法的隧道-坡体耦合稳定性分析
（ 张石高速公路 张家 口管 理处 ，河北 张家 口 ０ ７ ５ １ ０ ０ ）
摘 要 ：结合 张家 口至石 家庄 高速公路 北 口隧道进 口段 工程 ，运 用 ＭＩ Ｄ Ａ Ｓ ／ Ｇ Ｔ Ｓ 软件建 立 了原始边坡一 隧道一 路堤 边 坡 三者耦合 的仿真三 维分析模 型 ，对北 口隧道进 口工程不 同工况下坡体 的稳定性进 行 了分析 ，并得 出隧道开挖 和路堤修 筑过程 中原始坡 体位移和应力 的变化规律 ，对于工程 实践 有一定的意义。 关键词 ：有 限元 法 ；隧道一 坡体耦合 ；稳定性分析 ；ＭＩ Ｄ Ａ Ｓ ／ Ｇ Ｔ Ｓ
ｔ ｈ ｅ ｏ ｉｇ ｒ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｔ ｕ ｎ ｎｅ ｌ ａ ｎｄ ｅ ｍｂａ ｎ ｋ ｍｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｏ ｆ ｅ ｘ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗ ａ ｙ ｆ ｒ ｏ ｍ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｋ ｏ ｕ
隧道开孔衬砌温度应力有限元分析
２ 基本 理 论
２．１热传导方程
大体积混凝土结构 的温度 场可以由热传导基本方程求解。对于均匀各 向同性 的具有内热源的混凝土来 说 。其热传导方程 为…：
降低 的越多 。开孔达到 ５０ｅｍ时，现场实测拱顶最高温度可降低 １４．８６％。
结果表 明，对 大断面隧道 而言开孔能有效 的较低水泥的水化 热，较低衬砌 的 温度应力 ，有利于结构稳定。
３．２温度应力计算结果分析 通过数值模拟计算 ，得出各型衬砌 在温度应力作用下的拉应力 区如 图 ｌ一３所
Ｉｄ ／堙 ｋｇ／ｍｉ ／ 。ｃ） ｕ ／（￣ｇ‘Ｃ１ ｉｋｇｌｍ 度。Ｃ Ｉ（ｍ·ｄ·。
４５０
２５ｏｏ
２３３
０．９６
４２０
３５
６８０
实测（ｏＣ） Ｉ ７４．０ ｌ ７０．０
６３．６
由隧道衬砌温 度场云图及隧道衬砌拱顶 的混凝土代表点的温度变化 曲线 可以
看 出，开孔衬砌 的温度场明显好于实心衬砌 ，衬砌开孔后 ，加速了衬砌内部与周
大气温度为 ２Ｏ℃ ，且不考虑 大气温度随时间的变化 ；内热 源为混凝土的凝胶 材 料水泥产生 ，加载到衬砌中心点上 ，参考温度设 置为 ０ｑｃ，隧道衬砌采用 Ｃ３０ 混凝土。
接触 边界条件 ：衬砌与地基土之间的接触采用地基弹簧来模拟 ，忽略基岩与 衬砌 之间的摩擦作用 。
表 １热分析模拟参数 水泥水化热 砼密度 砼导热 系数 砼 比热 单位水泥 浇筑 温 对流系数
公路隧道复合支护非线性有限元分析
（ １ ． Ｘ ｉ ａ ｎ Ｈ ｉ ｇ ｈ ｗ ａ ｙ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｘ ｉ ｎ ａ ７ １ ０ ０ ５ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｅ ｘ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗ ａ ｙ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ． ， Ｌ Ｔ Ｄ． ， Ｘ ｉ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ３ ８ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
（ １ ． 西安公路研究院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ５ ４ ３ ８ ）
摘 要： 引入 损 伤 因子 对岩 体 弹模 进 行 弱 化 处 理 ， 从 能 量 守 恒 的 角度 出发 探 讨 了支 护 受 力 状 态 与 支 护 位 移 、 结 构 刚
第１ ０卷 第 ４期 ２ ０ １ ３年 ８月
现 代 交 通 技 术
Ｍｏ ｄ ｅ ｍ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ Ｉ ． １ ０ Ｎｏ． ４
公 路 隧 道 复 合 支 护 非 线 性 有 限 元 分 析
邓 彬 ， 程 恒
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ ｗｅ ａ ｋ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｕ ｓ ｆ ｏ ｒ ｏ ｃ ｋ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ —
因子 对开 挖过 程 的围岩参 数进 行弱 化处理 。
隧道工程中常用的设计方法
隧道工程中常用的设计方法
隧道工程的设计首先从处理基本的地质条件开始，并考虑许多其他因素。
一般而言，
隧道设计也包括选择工程材料、选择类型和位置以及最终形状等。
一般而言，隧道设计方法包括有限元分析、数值模拟方法、概率方法和经验分析方法。
有限元分析是一种解决固体力学分析问题的常用设计方法。
它充分考虑了结构的复杂性。
它通过分析构件的几何形状，确定各个组件的受力行为，从而求解结构的最优结果。
有限元分析的特点在于可以精确地模拟出实际应力和应变情况，给出更准确的设计结果。
数值模拟方法是一种模拟和预测隧道行为的设计方法。
通过数学模型，可以模拟隧道
结构和土体状态的变化，精确地估算工程参数，形成对隧道变形的准确预测，从而指导隧
道的设计。
概率方法是隧道工程中常用的设计方法。
它利用统计学原理，分析建筑参数和材料性
质的连贯性，从而预测建筑的平均性能，并计算各种概率，确定可能出现的最大限度值。
它也可以用于确定隧道寿命。
经验分析方法也是一种通用的设计方法，它采取有关项目的基础资料和隧道工程工程
实施过程，通过分析这些信息，结合多年来在此领域的设计经验，成功解决工程设计问题。
它具有设计简单、技术可行和成本低等特点，广泛应用于重质隧道的设计中。
最后，对于复杂地质条件的隧道，可以采用综合设计方法，即将上述单项设计方法相
结合，从而更精确、准确地设计隧道。
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、
工程概 述
该 工程位 于辽 宁省 东南部 ，地 形 复杂 ，冲 沟 发育 。隧 道 区 山地 总 体 呈北 东 向 。最 低海 拔 ７ ． ，最高 ２米 海拔 １５ １． ，相对 高差 １７８ ，属 丘 陵地貌 。经 地表 地质 调绘 及 物探 调 查 ，隧道 区 内未发现有 活 动 的 ０米 ０ ．米 断裂构 造 。隧道 围岩 洞身段 为Ｉ 级 围岩 。隧道 区地震 基 本烈 度Ⅶ 级 ，峰 值加速 度 ０１ｇ Ｉ Ｉ ． ，隧道 区标 准冻 深 ０ １ ０米 。设计车 辆荷 载为汽 车一 ２ ． ０ 超 Ｏ级 ，挂 车一２ ，设计 车速 为 ８ Ｋｍ ｈ 隧道设 计 为上 、下行分 离 的两 １０ ０ ／， 座独立隧道，全长 ７ ０ １ 米。两洞最小净距 ２． ８ ｍ，隧道洞身埋深 ２～ ０ ３ ０ ５ｍ，净空（ 高１ｌ ５ｃ ５０ｍ。 宽× ＝ ０ｍ￣ ０ｃ １ 洞 身处 为Ｉ 级 围岩 ，无 超前 支护 ， 期 支 护采 用 注 浆 锚 杆加 喷 射 混 凝 士 ， 杆 单根 长 Ｏ 间距（ 距 × Ｉ Ｉ 初 锚 ｍ， 排 环 距）１ ｍｘ ． 喷射 混凝土 为 １ 厚 Ｃ ５ 混凝 土， 留 同岩 沉 降值 ４ｍ， ＝ ． １ ｍ， Ｏ ２ ２ｃ ｍ ２素 预 ｃ 二次衬 砌 ３ ｍ 厚 Ｃ ０混 凝土 ５ｃ ３ 根据 计算结 果进行 配置 钢筋 计算 。对 于Ｉ类 围岩 隧道 的开挖 拟采 用 上下 台阶方 法 ，其 开挖步 骤 如 图 １所 Ｉ Ｉ 示。在开挖过程 中，先开挖左 隧道上侧拱项部分 ，待拱顶初期喷锚支护完成后，再开挖下半断面 ；待初 期支 护完成 后 ，应持 续观 测 围岩变 形 量 ，选择 合 适 的时 机进 行 二次 支 护 ，这 既可 保 证充 分 发挥 围岩 自承 能力 ，又 能减 轻二 次衬 砌围 岩压 力 ：再按 照开挖 左 隧道 的方 法 开挖 右 隧道 ，最 后进 行 二次 衬砌支 护 。 二 、ＡＮＳ ＹＳ有 限元开 挖模 拟 １ ．建模
２０ ０ ６年 １ Ｏ月
高速公路 隧道工程有 限元 分析
付 强 ，王 颖 ，徐 方 日 ２ 李 勃 。
（ ． 阳建筑大学 土木工程 学院， 宁 沈阳 Ｉ０ ６ ； ． １ 沈 辽 １ １８ ２抚顺市顺城 区前 甸乡詹家村抚顺县公路处，辽宁 抚顺 Ｉ３ ０ ；３ 顺市 临 江路 东段抚 顺 市公 路管 理 处 工程 科 ，辽 宁 扎 顺 １３０ １ １３ ． 抚 １０６） 摘 要 ： 隧道工程 的初步设计方案进行分析 。利用通用 Ａ Ｓ 有限元分析程序 ， 对 Ｎ ＹＳ 对开挖岩体 使用生死单元 ，进行隧道开挖模拟 ，从 而获得 隧道在各个施工开挖 阶段隧道 围岩 的内力及支护 结构的弯矩 、轴力和剪力图。从有限元分析 结果来看 ，设计方案所确定的开挖顺序是可行的， 围岩能够 自 承稳定。本工程初步设计合理，支护设计能够满足工程要 求。 关键词：隧道；有 限元 ；初步设计；模拟 中图分类 号 ： １． ６ ５ 文 献标 识码 ： Ｕ４２３ ； ２ ６ Ｕ４ Ａ 文 章编 号 ： ｏ ８＿ １９ ２０ ）５＿ Ｏ２＿ ４ ｌ０＿ ６２ （０６ Ｏ－ ０ ３＿ ０ ＿
隧道 围岩
收稿 日期 ： ２ ０ —０ —１ ０６ ７ １
ｌ Ｏ
Ｏ２ ．５
２３ ０ ０
作者简介：付强 （ ９ ９ ），河南林州人，沈阳建筑大学土木工程 学院结构工程专业硕士研究生，助理 １７ 一
工程 师。
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邢台职业技术学 院学报
＠ ◎
图 １ 围 岩上 Ｆ 阶 开 挖 示 意 图 台
由于公 路 隧道 属于细 长 结构 ，即隧 道 的横 断面 相对 于 纵 向的长 度 来 说很 小 ， 可 以假 定 在 围岩荷 载作 用下 ，在其纵 向没有位移，只有横 向发生位移。所 以，隧道的力学分析可 以采用弹性理论中的平面应变 模型 进行 。为尽 量 减少 二维 有 限元模 型 中边 界条 件 对计 算 结果 产 生 的不 利影 响，模 拟 的地层 范 围为横 向 两端除去 ２ 的洞径 （４ 为 ２ 米 ， １ｍ） ８ 总共地层宽度为 １２ ｍ； １． 高度 为埋深 ５ 米 、 ３ ０ 隧道底 １ 倍的洞高 （０ ， １ｍ） 总共 地层 高度为 ７ ｍ。 ０ ２确 定计 算参数 ． 隧道围岩和锚杆加 固区采用 Ｐ Ａ Ｅ ２平面应变单元， ＬＮ４ 初期支护和二次衬砌采用 Ｂ Ａ Ｅ Ｍ３梁单元 ， 根 据相应 规 范 ，各 单元 物理力 学 参数 如表 ｌ 示 。 所 表 １ 各单元物理力学参数 弹 性模量 （ ａ Ｇｐ） 泊松 比 密度 （ ｍ。 Ｋ ） 厚度 （ｍ） ｃ
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第２ ３卷
第 ５期
邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｘｉ ｇ ａ Ｐ ｌ ｔ ｃ ｎ ｃ Ｃ ｌ ｅ ｅ ｏ ｒ ａ ｏ ｎ ｔ ｉ ｏ ｙ ｅ ｈ ｉ ｏ ｇ ｌ
Ｖ １ ２ Ｎ ． ｏ ．３ ｏ５ Ｏ ｔ ２ ０ ｃ． ０ ６
２０ ０ ６年 第 ５期
２ ０ ０３ ＿ ２２ ０ ０ ３ ００ 锚杆 加 固 区 初期支 护 混凝 土 ２ ５ ０１ ．８ ２５ ０ ０ １ ２ ３ ０ ０． ２ ２５ ０ ０ 二次衬 砌 混凝土 ３ ５ 三 、开挖 过程 的模 拟 １ ． 方法 模拟 采 用生死 单 元 方法 ，其 基本 思想 是 ：如 果 该处 围岩 开挖 ，就 杀死这 些 单元 ，即假 设其 对 结构 的刚度 和承 载 力 的贡献 可 以忽 略 ，在 计 算时 要 注意 的 是 ：对 于节 点 ，与其 连接 的所有 活单 元被 杀 死 以后 ，该 节 点变成 一个 漂移 的节 点，具有 浮动 的 自由度 数值 。在 一些情 况 下 ，