利用ABAQUS模拟NATM隧道施工过程_朱训国
ABAQUS前_后处理模块二次开发的应用
我们都知道二次开发在前处理中主要功能是提高 工作效率 ,对与上述例题如按照一般步骤来要完成先 建模 、创建材料特性 、装配等过程 。而在建模和装配过 程中是比较费时的 ,尤其是在装配过程中容易出错 。 本节将使 用 第 一 种 方 法 即 开 发 出 自 己 应 用 程 序 的 界 面 ,只要用户输入相关参数就可是自动完成建模和装 配任务 ,以提高工作效率 。
Toolkit的拓展 ,它在编写程序时也是遵循 Python语言 的格式 。
ABAQUS二次开发有如下几种途径 : ①通过用户 子程序可以开发新的模型 ,控制 ABAQUS计算过程和 结果 ; ②通过环境初始化文件可以改变 ABAQUS的许 多缺省设置 ; ③通过内核脚本建立的函数可以用于前 处理建模和后处理分析计算结果 ; ④通过 GU I脚本可 以创建新的图形用户界面 。本文将使用联合使用第 3、 4种方法 ,来实现对 ABAQUS的前后处理的二次开发 。
图 2 内核程序和 GU I程序的通信
ABAQUS有限元程序通过集成 Python语言向二次 开发者提供了很多库函数 , 通过 ABAQUS 脚本接口 (ABAQUS Scrip ting In2terface) , Python语言调用这些库 函数来增强 ABAQUS的交互式操作功能 。它允许用户 绕过 ABAQUS /CAE的 GU I( graphical user interfaces)直 接与内核交互 , 可以大大提高工作效率或完成 ABAQUS /CAE没有提供的功能 。但是因为它没有通 过 GU I,显的不那么直观 ,而且如想改变某些参数就不 得不修改脚本程序 ,这些对一般用户来说就显的比较 麻烦 。因此 , 对 ABAQUS 二次开发一般应先开发 出 GU I后 ,让 用 户 输 入 或 选 择 有 关 参 数 后 , 然 后 生 成 ABAQUS的脚本语言来自动处理 。ABAQUS的 GU I是 用 ABAQUS GU I Toolkit来编 写 , 它 也是 对 FOX GU I
基于ABAQUS的地下隧洞开挖及围岩稳定性分析
基于ABAQUS的地下隧洞开挖及围岩稳定性分析都辉;任旭华;张继勋;吾克尔·吾买尔【摘要】以ANSYS为平台建立了有限元分析模型,采用ABAQUS作为计算和后处理软件,对工程区的地应力场开展了研究,分析了有断层贯穿的隧洞开挖及支护后围岩的稳定性,探究了提高围岩体参数的等效模拟方法的可行性.分析结果表明,断层对隧洞开挖后的围岩应力及位移均有不利的影响,容易出现应力集中现象;锚杆采用等效参数模拟的结果是合理、简捷的;支护系统提高了围岩体的稳定性.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(036)002【总页数】5页(P28-32)【关键词】ABAQUS;地应力;稳定性;断层;锚杆;支护系统【作者】都辉;任旭华;张继勋;吾克尔·吾买尔【作者单位】河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学水利水电学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV39地下洞室围岩稳定性问题研究方法［1］主要有：工程地质法、模拟实验法、现场测试法、数值分析法等，其中数值分析法已发展成为评价围岩整体稳定性及设计支护系统的重要方法.断层是地下洞室开挖过程中最常见的不良地质现象，有断层分布的区段是地下洞室围岩最不稳定的区段之一.阮彦晟［2］从断层附近应力分布的异常角度做了相关研究，分析了地下工程围岩的稳定性，指出了断层对稳定性的不利影响；崔芳等［3］对断层影响下隧道围岩稳定性进行了数值模拟分析；吴满路等［4］从地应力测量方面对隧洞围岩稳定性做了相应研究，指出了断层对稳定性的危害.综上所述，断层对围岩的稳定性起着重要的作用，有必要对其进行深入研究.1 工程概况波堆水电站是波得藏布流域梯级开发的第三级电站，坝址海拔2780m，控制流域面积2453km2，年均流量132m3／s，电站装机9600kW，年均发电量6714万kW·h，是以发电为任务的单目标工程.泄洪建筑物主要有洞室溢洪道和泄洪洞（兼导流洞）.泄洪洞总长536.66m，为圆形隧洞，洞径10m，布置在左岸山体中.导流洞洞身段0＋080～0＋395段岩性为灰岩，以弱风化～微风化岩体为主，依据《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2006）附录J围岩分类标准，属Ⅲ类岩石；洞顶山岩覆盖厚度均大于3倍洞径，为Ⅳ类岩石；导流洞外侧岩质岸坡部位砂质板岩内小规模断层较发育，导流洞洞身部位局部地段小规模断层较发育，断层破碎带和灰岩接触带部位风化作用较强，岩性较破碎，属Ⅴ类岩石，需进行支护.导流期采用现浇C40混凝土衬砌，衬砌厚度1m，存在断层和破碎带.选桩号0＋120至0＋320段进行计算分析，地质剖面图如图1所示，隧洞埋深30～60m. 图1 导流洞地质剖面图2 数值分析2.1 计算假定文章的数值模拟计算是基于以下的假定：1）初始应力场仅考虑自重作用；2）不考虑地下水在开挖过程中的作用；3）开挖过程并没有模拟施工过程，而是理想的一次性开挖.4）模型的支护中只考虑初期支护喷混凝土和锚杆支护作用，未考虑二衬.2.2 计算模型与计算参数本文采用Ansys建立三维有限元模型，将节点和单元信息导入ABAQUS中进行计算和后处理，采用的本构模型为摩尔-库伦理想弹塑性模型.模型除上表面为起伏的曲面外其余均为垂直于坐标轴的平面，其中垂直于X轴的两个平面与垂直于Z轴的两个平面均采用法向位移约束，底面位移完全约束.3类岩石及断层破碎带均采用四面体实体单元模拟，断层厚度1m，倾角在60°左右，斜穿过隧洞，材料为Ⅴ类岩石.模型共99325个节点、93288个单元.材料参数由波堆水电站地形地质资料而得，具体见表1，有限元模型网格划分及坐标系建立如图2所示，其中Y方向为竖直方向，X方向为洞轴线方向.表1 材料参数类型密度ρ／（kg·m-3）弹性模量E／GPa泊松比μ抗拉强度R／MPa粘聚力c／MPa摩擦角φ／°2650 8 0.252.2 1.147.4Ⅳ类岩石 2450 5 0.3 2 0.5 35Ⅴ类岩石 2250 1.2 0.4 1.5 0.2 25混凝土（C40）Ⅲ类岩石2400 32.5 0.21.71 - -图2 模型网格图3 初始应力场分析为保证初始位移为零同时对模型施加初始应力场，必须进行地应力的平衡，即通过正演计算提取应力作为内力然后再施加重力荷载进行平衡，从而实现初始应力场的施加同时保证初始位移为零.ABAQUS提供了4种方法来平衡地应力［5］：初始应力提取法、关键字定义法、子程序定义法及（AUTOBALANCE）自动平衡法.考虑到本例地表起伏不平及岩土材料不均匀的情况，采用初始应力提取法进行地应力平衡.该方法中的文件FILENAME.INP获取方法为：首先将已知边界条件施加到模型上进行正演计算，然后将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处并导出6个应力分量.将得到的应力作为内力施加到模型中同时施加重力荷载重新计算，即实现地应力的平衡，如图3所示（本文位移单位均为m，应力单位均为Pa，后面均不再标注）.图3 地应力平衡效果图观察图3平衡后的结果可知，模型位移的量级由厘米级降到零点几个毫米级，可以近似认为初始位移为零，而竖向应力基本一致，平衡效果较好，这样就实现了模型近似不变形的情况下，将自重形成的初始应力场施加到模型上的目的.4 洞室开挖围岩稳定性分析X＝43.8m截面和Z＝56m截面为洞轴线与断层相交点所处的X向和Z向典型截面，本例重点分析断层的不利影响，因此选择这两个截面来研究.4.1 开挖完成后位移场分析1）顶拱和底板的位移主要以竖向位移为主，且沿X轴纵深方向顶部与底部竖向位移大小均是增加趋势，原因是上部岩体及覆盖层自重也是沿X轴增加，如图4所示.图4 开挖后竖向位移分布云图2）通过Z＝56m截面观察竖向位移U2分布云图，发现竖向位移沿X轴纵深方向变化规律在断层与隧洞交汇处出现波动，顶拱和底部的最大位移均出现在断层附近（如图5所示），所以断层与隧洞交汇处的位移为控制位移.图5 Z＝56m截面竖向位移最大点3）洞室开挖后，由于应力释放，围岩产生指向洞室内部的回弹变形，顶拱和底部位移较大为3mm，两侧位移较小，分布如图6所示.4.2 开挖完成后应力场分析1）观察第一主应力断面图，发现在洞室与断层的交汇处出现不同程度的应力集中，在断层上盘和下盘都存在一个最大拉应力极值，为0.38MPa（如图7～8所示），这是由两个应力载荷共同作用的结果［6］，一是原始应力场中的应力因隧洞开挖而重新分布后对洞壁形成的载荷；二是断层面受上盘挤压而形成的垂直断层面的侧向应力的分力，再加上断层的岩体一般都比较软弱和破碎，不能承受高的应力所致，但断层厚度仅有1m，所以影响范围并不是很大，而且拉应力并未超过Ⅴ类岩石抗拉强度1.5MPa.图6 开挖后X＝43.8m截面合成位移分布云图图7 X＝43.8m截面主应力云图图8 Z＝56m截面主应力云图2）隧洞开挖后，由于开挖扰动使得围岩应力在一定范围内有所调整，地应力分布状态也会出现明显的扰动，围岩体第一主应力越靠近洞壁越大，应力值增大幅度明显，顶拱和底部增至最大，远离洞壁位置，最大主应力的变化幅度较小，呈平稳变化.4.3 塑性破坏区隧洞开挖后，断层附近的岩体会产生弹塑性区.本例断层的倾角在60°左右，且厚度为1m，附近的塑性区变化不明显，塑性区主要分布在断层破碎带范围内［7］，如图9所示，说明断层仍是影响围岩稳定的重要因素.图9 塑性区分布图上述结果表明：开挖后最大拉应力点和竖向（U2）最大正负向位移均出现在断层与隧洞的交界处，这是由于洞室开挖构成了岩体的临空面，这些临空面与断层把岩体切割成柱体或楔形体等易失稳构件，应力波动比较剧烈，加上断层破坏了岩层的连续性和完整性，导致断层附近岩石比较软弱和破碎、强度低、力学性质比较复杂，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以此处成为应力降低带.考虑到围岩受断层影响的不利性，有必要采取适当支护措施来限制围岩位移的继续扩大，同时也是为了防止因应力恶化出现岩爆冒顶或冲击地压而导致围岩失稳.5 支护措施与支护效果分析本例采取的支护措施为施加混凝土初衬及在断层与隧洞交汇区段施加锚杆.通过计算，分析比较了有无衬砌情况下断层与隧洞交汇区段围岩体所受的拉应力极值的变化，结果表明施加混凝土初衬后，围岩体位移得到了明显改善，但交汇区段的拉应力极值却由0.38MPa增大到1.2MPa，已经很接近Ⅴ类岩石的抗拉强度1.5MPa，因此要加强交汇区段的支护措施，即在断层与隧洞交汇区段施加锚杆.通常在实际工程中的锚杆数以千计，如果逐一进行模拟会耗费大量的时间且难度较大，所以采用将岩体锚杆支护系统看成一种增强材料，建立等效力学模型，提高材料参数的方法进行模拟，从而简捷地为工程设计和施工提供参考意见.5.1 ABAQUS锚杆嵌入式模拟方法与等效参数方法比较5.1.1 ABAQUS锚杆嵌入式模拟（方案1）该方案是在ABAQUS前处理器中建立锚杆模型，采用＊Embedded Element命令实现锚杆的嵌入.为使锚杆模拟方便，采用已有节点进行杆单元（T2D2）的创建，锚杆采用普通砂浆锚杆，直径Φ22，长度深入岩石3m，间排距约为3m，密度为7800kg／m3，弹模为200GPa，泊松比取0.27.5.1.2 等效参数法（方案2）锚杆的作用相当于形成一个环向加固区［8］，简单的处理方法就是提高锚杆作用区的力学指标c（粘聚力），φ（摩擦角）值，依据锚杆-围岩复合结构体的力学参数确定方法［9］，粘聚力可根据Dulacska的公式计算式中，D为锚杆直径；c′0为锚杆-围岩复合结构体的初始粘聚力；σs为锚杆抗拉强度；c0和φ0分别为围岩初始状态的粘聚力和内摩擦角；sa和sc分别为在隧洞轴向和环向上的间距.锚杆-围岩复合结构体的内摩擦角的计算公式：由公式（1）和（2）可计算得出锚杆-围岩复合结构体的粘聚力和内摩擦角，相比于未加锚杆前围岩的粘聚力和摩擦角，本例摩擦角φ提高了10°，粘聚力c提高了30%.5.1.3 结果分析选择Z＝56m截面及X＝146.3m截面为典型截面，观察位移与第一主应力分布云图.两种方法均可实现限制围岩体位移的目的，与只施加混凝土初衬相比，在锚固区的位移均有明显减小（如图10所示）.在效果接近的情况下，采用ABAQUS嵌入式锚杆模拟方法围岩体的第一主应力最大值未超过0.67MPa，而等效参数模拟法得到的围岩体主拉应力最大值未超过1MPa（如图11所示）.两种方法位移分布基本一致，围岩体所受拉应力值均在合理范围内，因此在模拟工程实例进行有限元分析时，对于方案一锚杆建模不便时，可以适当采用方案二进行简捷等效计算，本例采用等效参数模拟方法进行支护模拟.图10 位移分布比较图图11 第一主应力分布比较图5.2 支护效果分析依据5.1节所探究的锚杆模拟方法，采用等效参数模拟方法对本例的支护系统进行相关模拟，综合混凝土初衬及锚杆作用进行支护效果分析.同时，在探究支护效果的过程中，进行了只施加混凝土初衬与锚杆和初衬相结合的比对.洞室开挖扰动后，围岩体在断层与隧洞交汇的特殊部位出现了异常的应力集中现象，所以在此交汇区段采用提高支护水平的方法即采取锚杆（等效参数法）结合混凝土初衬方案进行支护，通过分析来探究支护效果对围岩稳定性的影响.5.2.1 应力分析1）施加支护后围岩体部分完全处于受压状态，而未加支护时，在断层与隧洞交汇处是有部分受拉区的，说明支护系统可以帮助围岩分担部分载荷.2）通过在局部区域（易破坏区）施加锚杆改善混凝土初衬整体的受力情况，效果明显，对比观察单纯施加混凝土初衬与加上锚杆两种情况的第一主应力图（如图12所示）可知，衬砌顶部和底部拉应力区的应力最大值由1.2MPa减少到0.86MPa.模拟锚杆加固区顶部和底部均承受了部分拉应力起到了锚杆的等效作用，降低了衬砌承受的拉应力.图12 Z＝56m截面第一主应力分布比较图5.2.2 位移分析施加混凝土初衬后位移场规律基本不变，只是量值上有所差别，最大位移由3mm 降到了1.9mm，而且位移的最大值点也不在断层与隧洞交汇区附近，实际位移减少比例更大，这说明衬砌很好地限制了围岩体的位移，竖向位移的分布规律也是一致的.施加锚杆后，断层附近区域位移更小了，锚固作用效果明显.5.2.3 塑性区分析对比施加支护措施前后的塑性区分布图可知，施加支护后模型在断层与隧洞交汇处已无塑性区，如图13所示，说明支护有效地限制了交汇区段的塑性区发展.图13 支护前后塑性区分布比较图6 结语通过模拟有断层贯穿的地下隧洞的开挖与支护，进行了围岩稳定性的相关分析，得出以下几点结论：1）在考虑自重是初始应力场的主要成因前提下，对于地表起伏的情况，采用初始应力提取法最为有效和可行.2）断层与隧洞相交处的围岩体位移为控制位移，主要原因是断层面与临空面将岩体切割成楔形体等易破坏形态，同时也破坏了原岩的整体性和连续性.3）对于复杂的单元形状，在不方便模拟锚杆单元时，采用等效参数模拟方法缩减了建模的过程，提高了效率；支护措施有效地改善了断层与隧洞交汇处的应力集中现象.参考文献：［1］邓声君，陆晓敏，黄晓阳.地下洞室围岩稳定性分析方法简述［J］.地质与勘探，2013，49（3）：541-547.［2］阮彦晟.断层附近应力分布的异常和对地下工程围岩稳定的影响［D］.济南：山东大学，2008.［3］崔芳，高永涛，吴顺川.断层影响下隧道围岩稳定性的数值分析［J］.公路，2011（9）：242-245.［4］吴满路，廖椿庭.大茅隧道地应力测量及围岩体稳定性研究［J］.地质力学学报，2000，6（2）：71-76.［5］代汝林，李忠芳，王姣.基于ABAQUS的初始地应力平衡方法研究［J］.重庆工商大学学报：自然科学版，2012，29（9）：76-81.［6］晁建伟，余同勇，韦四江.回采巷道过断层顶板破坏特征研究［J］.矿业安全与环保，2009，36（2）：13-15＋92.［7］付存仓，温森.断层对巷道附近塑性区的影响［J］.采矿技术，2006，6（2）：31-32.［8］刘学.采用ABAQUS的隧道稳定性分析［J］.山西建筑，2009，35（9）：312-313.［9］冯夏庭，张传庆，李邵军，等.深埋硬岩隧洞动态设计方法［M］.北京：科学出版社，2013：354-356.。
ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟
ABAQUS 软件对隧道开挖过程的模拟一、ABAQUS 在岩土工程中应用简介:岩土工程中的开挖问题主要就是指隧道、基抗的开挖。
这些问题的施工过程常常较为复杂,如分步骤开挖,支挡结构的施工等,常规的分析方法处理起来十分困难,往往需要通过有限元对支护结构的内力与变形,周围土体的位移等进行分析。
ABAQUS 由于其本身强健的非线性求解功能,在工业界被公认为技术最先进的非线性有限元分析软件,与传统商业软件不同,ABAQUS 就是专门为解决工程中困难问题而发展并逐渐被广大用户推崇的超级通用有限元软件。
因此,本文将采用ABAQUS 软件对隧道开挖过程进行模拟及分析。
二、隧道开挖过程问题简介:1、模型简介:某个地下隧道,由一个混凝土的衬砌支持。
建造这样一个隧道,涉及到一个非常复杂的土木工程过程。
工程界希望能通过数值模拟预测与验证设计建造过程中的各种问题,以加快建造过程与优化建造成本,并且最大程度的保证安全性。
2、几何特性:隧道直径8米,在地下20米,隧道周围黏土的本构简化为线弹性(E=200MPa,0.2ν=,220kN/m γ=),混凝土衬砌(E=19GPa,0.2ν=),厚度为0、15米。
图1 模型示意图3、分析思路:隧道的开挖与其她开挖问题类似,其实质主要就是应力的释放。
如果没有衬砌的施工,那问题很简单,只要在建立初始应力之后,移除开挖单元即可。
但实际工程中,隧道的开挖施工步骤就是十分复杂的,涉及到灌浆、卡极为、衬砌施工等。
而在有限元计算中衬砌等支护结构施工的模拟尤为重要,特别就是衬砌单元激活的时机,若在开挖区域单元移除之前激活不符合真实工程中的施工顺序,衬砌施工时土体应力已有所释放;而若在单元移除之后进行则应力早已完全释放,衬砌起不到支撑的作用。
为了解决这一问题,研究人员们提出了以下两种方法:1、在衬砌施工前,将开挖区单元的模量降低,移除来模拟应力释放效应。
2、首先将开挖面上的节点施加约束,得到与初始应力平衡的节点力。
ABAQUS在浅埋大断面隧道围岩稳定性分析中的应用
ABAQUS在浅埋大断面隧道围岩稳定性分析中的应用摘要：在隧道掘进过程中，围岩的稳定性与否直接影响施工安全与进度，尤其是浅埋大断面隧道。
本文以万象至万荣高速公路老中友谊隧道为例，应用ABAQUS 根据隧道围岩地质情况及勘察设计资料，确定了岩体材料与初期支护构件的本构模型，建立了隧道开挖支护后模型，基于杨氏衰减法模拟围岩及支护结构在后续施工期间的应力分布及支护变化位移情况，通过与开挖支护后现场监控量测实测数据曲线图对比，验证了ABAQUS仿真模型在隧道围岩稳定性分析中的有效性。
关键字：浅埋大断面隧道；围岩稳定性；ABAQUS模型；监控量测0 引言隧道工程属于隐蔽施工,常常面临非常复杂的地质环境,隧道开挖支护后应及时做好监测，保障隧道施工安全。
李新志等[5]为研究隧道地表沉降变化特征，应用三维连续介质快速拉格朗日元模拟隧道的施工过程，所得结果与现场监测具有较好的拟合性；周丁恒等[7]研究表明采用不同施工工序，对支护体系力学结构影响较大，合理的施工工序是支护体系稳定性的关键。
本文针对老中友谊双向四车道隧道围岩开挖支护后稳定性问题，运用ABAQUS对隧道开挖支护后围岩应力场变化进行数值模拟，进而优化隧道开挖后支护参数，结合现场监控量测，通过模拟信息与实测量测曲线进行对比分析，对隧道围岩稳定性进行安全综合性评估。
1 工程概况本文万象至万荣高速公路老中友谊隧道，隧道建筑限界净宽：0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75=10.25m；净高：5.0m。
选取的模拟分析地段隧道围岩主要为碎石状结构，软弱夹层发育，夹粉质粘土；地下水类型主要为基岩裂隙水，岩体破碎，围岩完整性差，围岩自稳能力弱，开挖前应做好超前支护，若支护不及时或强度不足，易产生塌方。
2 ABAQUS隧道模型的建立2.1 岩体材料与支护材料的本构模型ABAQUS数值模拟软件基于其强大的非线性求解功能，被广大用户逐渐推崇通用有限元软件。
隧道工程与ABAQUS 分析
第1章隧道工程与ABAQUS 分析知识要点：;隧道的基本概念和工程概述;隧道的种类及其作用;隧道及地下工程的有限元分析;ABAQUS基础知识简介;本章小结本章导读：本章首先介绍隧道及地下工程的相关基本概念和隧道的种类及其作用，接下来介绍隧道及地下工程的有限元分析特点，并进一步介绍ABAQUS有限元分析方法在隧道及地下工程中的应用及注意事项。
最后重点阐述ABAQUS的相关基础知识及ABAQUS的导入导出功能。
1.1、隧道的基本概念及工程概述地下工程：在山体内或地面下修建的建筑物。
下面简要介绍隧道中常用的术语：隧道：以保持地下空间作为运输孔道的地下工程。
导坑：在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道。
衬砌：在坑道的周围修建的用于支撑洞室稳定的支护结构。
衬砌的内轮廓应能满足使用上的要求，同时也无需无谓的放大。
衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，既不浪费又能稳固。
通常以圆形、椭圆形、马蹄形和卵形为多。
衬砌的用料应适合施工和养护的要求。
通常用坚固、耐久、少腐蚀、能防水、防火、价廉、便于就地取材的材料。
洞门：在隧道端部外露面修建的为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构。
明洞：在洞门与洞身间用明挖法修筑的隧道。
洞身衬砌、洞门和明洞就组成了隧道的主体支护结构，作用是保持岩体的稳定和行车安全。
见图1-1。
为了保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物。
隧道的附属建筑物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通图1-1 明洞示意图讯、安全等而修建的建筑物，包括有：为工作人员在隧道进行维修或检查时，能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的大小避车洞；为了保证隧道洞口的稳定与安全而修建的边仰坡；为了引导洞口边仰坡地表水流而修建的排水天沟；为了排除隧道内渗入的地下水，保证列车正常运行而设置的防水设备及排水设备；为了净化隧道内机车所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统；电力及通讯设施；消防设施等。
Abaqus与隧道工程
关键词：Abaqus；岩土工程；有限元；地应力平衡；桩土；盾构隧道；开挖；模拟；离散元；CFD
小弟读书期间主要做岩土开挖的模拟，用过基于Abaqus的有限元，现在主要做离散元和CFD。
读书期间做了大量的工程实例和模拟方法的探索，现在论文也发了，专利也申请了，于是想公开一些实例和教程。
虽然不是很高深的东西，但对于初学者应该会有一定的帮助。
自己开了个微信订阅号——算盘坊，基本会保证一周放送两次文章和实例，大家有兴趣的可以关注一下微信订阅号 算盘坊：
1.基于ABAQUS的修正剑桥模型的应用（一）——参数取值
2.基于ABAQUS的修正剑桥模型的应用（二）——建模要点
3.隧道开挖实例（一）——标准隧道开挖模拟
4.隧道开挖实例（二）——隧道穿桩模拟
5.隧道开挖实例（三）——隧道叠次穿越高架
6.隧道开挖实例（四）——URUP工法实践及有限元模拟
7.ABAQUS与岩土工程（一）——地应力平衡（初级）。
基于ABAQUS的土石料本构模型二次开发及其应用(1)
) ,男 ,浙江慈溪人 ,博士研究生 ,从事水工结构和岩土工程数值分析研究 . 作者简介 : 岑威钧 (1977 —
・78 ・
水利水电科技进展 ,2005 , 25 ( 6) Tel :025 Ο 83786335 E2mail : jz @hhu. edu. cn http :/ / kkb. hhu. edu. cn
ABAQUS2based secondary development of constitutive model for earth rockfill materials and its application/ / CEN Wei2 jun , ZHU Yue2ming ( College of Water Conservancy and Hydropower Engineering , Hohai University , Nanjing 210098 , China) Abstract : The user material subroutine UMAT provided by the general software ABAQUS was used for programming for Shenzhujiang’ s double2yield surface model of earth rockfill materials. In combination with the element add/ remove technique , a numerical simulation was performed for dam construction and reservoir impoundment in a case study of an earth rockfill dam. The result shows that the present method is feasible for numerical simulation of earth rockfill dam construction. The calculated result is reasonable , and the development cycle of the method is greatly reduced as compared with that of the user2compiled program. Therefore , the method is of certain reference value. Key words : ABAQUS , secondary development ; UMAT; Shenzhujiang’ s model ; earth rockfill dam ; numerical simulation for construction
采用ABAQUS的隧道稳定性分析
文章编号:100926825(2009)0920312202采用ABAQUS 的隧道稳定性分析收稿日期:2008211213作者简介:刘 学(19702),男,工程师,中铁十九局集团第四工程有限公司,辽宁辽阳 111000刘 学摘 要:结合某隧道的工程地质特点,采用ABAQUS 对隧道开挖过程进行了数值模拟,分析表明:采用双侧壁导坑法,由于开挖步之间的相互影响,围岩的应力和变形都比较大,因此支护应紧跟,得出了数值模拟成果与现场监测结果规律基本一致的结论。
关键词:ABAQUS,稳定性,数值模拟,双侧壁导坑法,超前支护中图分类号:U451文献标识码:A随着我国大规模建设的展开,高速公路建设发展迅速。
为了避开各种病害,改善运营条件,在穿越山区时,高速公路也常采用隧道方案。
一般隧道施工工序多,难度大,地质、形状和受力条件复杂,一般很难得到理论解析解。
有限元法自20世纪50年代发展至今,已成为解决复杂岩土力学问题的有力工具,用来解决许多难以用解析法求解的力学问题。
大型有限元程序ABAQUS 完全可以模拟隧道动态开挖的全过程,并与目前已施工监测得到的数据进行分析对比,根据分析结果,提出相应的措施和建议。
1 工程概况该隧道穿过低山丘陵地貌区,隧道线路经过的最大高程约为407m,隧址地面标高51.28m ~407.00m,最大相对高差约355.72m 。
隧道设计为单洞双线,全长2.4km,围岩级别为Ó级~Õ级。
其中Õ级段区域地质构造、断裂构造发育,施工过程中极易出现突水和洞室失稳现象,该区段确定为本隧道的施工难点。
本文通过大型有限元软件ABAQUS 对这一区段的开挖进行模拟,揭示该区段内围岩的变形机理,以优化支护参数,保证施工安全进行。
本段隧道为上下行分离的双向六车道高速公路隧道,建筑限界净宽14.5m,净高5m;建筑内轮廓宽15.18m,全高7.92m,围岩级别为Õ级。
Abaqus仿真分析培训
分析流程九步走
1、几何建模 、 2、划分网格 、 3、特性设置 、 Part Mesh Property
4、建立装配体 Assembly 、 5、定义分析步 Step 、 6、相互作用 、 7、载荷边界 、 8、提交运算 、 9、后处理 、 Interaction Load Job Visualization
创建截面属性
2 1
选择已建立的材料 三维模型不需要设置该参数，采用 默认值1即可。
2 指定厚度
3
选择已建立的材料
分配截面属性
2 1
选择要分配材料的目标体
3 选择已建立的Section
未被分配截面属性的Cell呈灰色， 已经正确分配截面属性的Cell呈青色， 被重复分配几种截面属性的Cell呈黄色。
1 2 3密度
4
杨氏模量
5
泊松比
材料管理器
Material管理器的功能完全可以在窗口左侧模型树的右键快捷菜 单实现。
创建截面属性
Name：便于记忆及管理 Category（种类）和Type（类型）配合 起来指定截面的类型：
Solid（实体），一般选择默认的Homogeneous （均匀的）。 Shell（壳），包含Homogeneous（均匀的）、 Composite（复合的）、Membrane（膜）和Surface （表面）等，一般默认。 Beam（梁） Other（其他），即Gasket（垫圈）、Acoustic infinite（声媒耦合）等
4、建立装配体 Assembly
建立装配体
Assembly模块专有
特征修改、删除等，很少用到
Partition已讲，见Mesh部分 基准点、线、面及坐标系等
一个模型Model只能包含一个装配件Assembly， 一个部件Part可以被多次调用来组装成装配件， 定义载荷、边界条件、相互作用等操作都在 装配件的基础上进行。
ABAQUS软件对隧道开挖过程地模拟
ABAQUS 软件对隧道开挖过程的模拟一、ABAQUS 在岩土工程中应用简介：岩土工程中的开挖问题主要是指隧道、基抗的开挖。
这些问题的施工过程常常较为复杂，如分步骤开挖，支挡结构的施工等，常规的分析方法处理起来十分困难，往往需要通过有限元对支护结构的内力和变形，周围土体的位移等进行分析。
ABAQUS 由于其本身强健的非线性求解功能，在工业界被公认为技术最先进的非线性有限元分析软件，与传统商业软件不同，ABAQUS 是专门为解决工程中困难问题而发展并逐渐被广大用户推崇的超级通用有限元软件。
因此，本文将采用ABAQUS 软件对隧道开挖过程进行模拟及分析。
二、隧道开挖过程问题简介：1、模型简介：某个地下隧道，由一个混凝土的衬砌支持。
建造这样一个隧道，涉及到一个非常复杂的土木工程过程。
工程界希望能通过数值模拟预测和验证设计建造过程中的各种问题，以加快建造过程和优化建造成本，并且最大程度的保证安全性。
2、几何特性：隧道直径8米，在地下20米，隧道周围黏土的本构简化为线弹性（E=200MPa ，0.2ν=，220kN/m γ=），混凝土衬砌（E=19GPa ，0.2ν=），厚度为0.15米。
图1 模型示意图3、分析思路：隧道的开挖和其他开挖问题类似，其实质主要是应力的释放。
如果没有衬砌的施工，那问题很简单，只要在建立初始应力之后，移除开挖单元即可。
但实际工程中，隧道的开挖施工步骤是十分复杂的，涉及到灌浆、卡极为、衬砌施工等。
而在有限元计算中衬砌等支护结构施工的模拟尤为重要，特别是衬砌单元激活的时机，若在开挖区域单元移除之前激活不符合真实工程中的施工顺序，衬砌施工时土体应力已有所释放；而若在单元移除之后进行则应力早已完全释放，衬砌起不到支撑的作用。
为了解决这一问题，研究人员们提出了以下两种方法：1、在衬砌施工前，将开挖区单元的模量降低，移除来模拟应力释放效应。
2、首先将开挖面上的节点施加约束，得到与初始应力平衡的节点力。
基于某ABAQUS地无渗流偏压隧道开挖分析报告(包含地应力平衡分析报告)
基于ABAQUS的无渗流偏压隧道开挖分析（包含地应力平衡分析）1 隧道建模及地应力平衡1.1 工程概况本模型截取的一段隧道通过山体坡度30°左右一侧，隧道开挖及初衬断面为五心圆各项参数如表2.1所示。
隧道跨度13.36m，高11.71m，偏压部分覆盖层厚度约为20m。
隧道区地下水主要为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，垂直隧道中轴线向东120米勘察孔水位为65米，向西120米勘察孔水位为10米。
施工过程中隧道单位正常涌水量3.43m3/d，中等富水。
具体围岩初衬参数将在后文建模时给出。
表2.1 隧道断面参数(单位：cm)r[1]R[1]r[4]R[4]h[1]h[2]h[3]a b h H B1.2 隧道建模及偏压判定结合隧道工程勘察报告和规范取围岩和初衬参数值如表2.2所示，隧道初衬厚度为30cm。
表2.2 围岩和初衬参数取值弹性模量/GPa泊松比密度/Kg/m3内摩擦角/°内聚力/MPaV级围岩 1.80.382200250.3初衬250.22400//文献指出，取模型边界为隧道开挖直径8倍时，其地震和静力计算对隧道的影响可以忽略不计。
本模型取隧道开挖直径的10倍，力求将边界影响降低到最小，同时兼顾计算工作量。
建模时先简化山体坡脚30°一侧为一顶角120°的圆锥，按照隧道实际位置确定隧道后，在山体上切下符合隧道开挖直径10倍的计算模型（如图2.2），这样会使模型上表面近似山体的曲面，较符合实际地形条件，模型自前向后偏压角度略有减小。
与直接将上表面简化为平面的模型相比，其计算结果和实际工程的符合性有较大提升，对隧道内部应力的分布也反映的更为准确。
本章将对无渗流条件下的静力偏压情况进行模拟，以便和后文中渗流作用下偏压隧道的应力场变化进行比较。
模型上隧道圈线和穿越隧道的斜线是为方便后续渗流计算所做分割面，不影响计算。
图2.2 模型切取示意图模型尺寸如上文所述，首先不考虑渗流场，仅考虑重力作用。
【2019年整理】ABAQUS软件对隧道开挖过程的模拟
ABAQUS 软件对隧道开挖过程的模拟一、ABAQUS 在岩土工程中应用简介：岩土工程中的开挖问题主要是指隧道、基抗的开挖。
这些问题的施工过程常常较为复杂，如分步骤开挖，支挡结构的施工等，常规的分析方法处理起来十分困难，往往需要通过有限元对支护结构的内力和变形，周围土体的位移等进行分析。
ABAQUS 由于其本身强健的非线性求解功能，在工业界被公认为技术最先进的非线性有限元分析软件，与传统商业软件不同，ABAQUS 是专门为解决工程中困难问题而发展并逐渐被广大用户推崇的超级通用有限元软件。
因此，本文将采用ABAQUS 软件对隧道开挖过程进行模拟及分析。
二、隧道开挖过程问题简介：1、模型简介：某个地下隧道，由一个混凝土的衬砌支持。
建造这样一个隧道，涉及到一个非常复杂的土木工程过程。
工程界希望能通过数值模拟预测和验证设计建造过程中的各种问题，以加快建造过程和优化建造成本，并且最大程度的保证安全性。
2、几何特性：隧道直径8米，在地下20米，隧道周围黏土的本构简化为线弹性（E=200MPa ，0.2ν=，220kN/m γ=），混凝土衬砌（E=19GPa ，0.2ν=），厚度为0.15米。
图1 模型示意图3、分析思路：隧道的开挖和其他开挖问题类似，其实质主要是应力的释放。
如果没有衬砌的施工，那问题很简单，只要在建立初始应力之后，移除开挖单元即可。
但实际工程中，隧道的开挖施工步骤是十分复杂的，涉及到灌浆、卡极为、衬砌施工等。
而在有限元计算中衬砌等支护结构施工的模拟尤为重要，特别是衬砌单元激活的时机，若在开挖区域单元移除之前激活不符合真实工程中的施工顺序，衬砌施工时土体应力已有所释放；而若在单元移除之后进行则应力早已完全释放，衬砌起不到支撑的作用。
为了解决这一问题，研究人员们提出了以下两种方法：1、在衬砌施工前，将开挖区单元的模量降低，移除来模拟应力释放效应。
2、首先将开挖面上的节点施加约束，得到与初始应力平衡的节点力。
ABAQUS在隧道中的运用_施工工法优化资料精
第3章 ABAQUS 在隧道中的应用—施工工法优化知识要点：; 隧道施工工法概述; 新奥法的施工特点及开挖方法; ABAQUS 的模拟方法; 隧道施工工法优化研究; 本章小结本章导读：本章主要研究ABAQUS 在隧道开挖过程中施工工法优化方面的数值模拟。
首先介绍一般隧道的施工工法，然后针对目前常用的新奥法的施工特点和开挖方法进行了介绍，采用ABAQUS 在隧道施工开挖方面的数值模拟功能，对小间距隧道在不同围岩类别情形下的各种施工工法逐一进行了优化分析研究，并得到相关结论。
3.1 概述概括地说，隧道施工具有隐蔽性大、作业的循环性强、作业空间有限、作业综合性、施工动态性、作业环境恶劣、作业的风险性大、气候影响小等特点，因此，各种施工技术必须考虑这些特性，才能够发挥其作用。
根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧盾构法沉管法水底隧道施工方法盾构法浅埋暗挖法盖挖法地下连续樯法明挖法法浅埋及软土隧道施工方掘进机法新奥法传统矿山法钻爆法矿山法山岭隧道施工方法隧道施工方法)(矿山法因最早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。
由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。
有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。
掘进机法包括隧道掘进机(Tunnel Boring Machine ，简写为T.B.M.)法和盾构掘进机法。
前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。
沉管法、明挖法等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。
在隧道施工中最重要的是选择合理的施工方法。
选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：(一) 施工条件(二) 围岩条件(三) 隧道断面积(四) 埋深(五) 工期(六) 环境条件从目前的工程实际出发，在今后很长一段时期内，矿山法仍然是修建山岭隧道的主流方法，是其他方法不可能代替的。
帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
前言隧道开挖是隧道工程施工的重要环节之一，是工程建设的重要内容，直接决定着隧道工程项目目标的实现。
自改革开放以来，我国土建行业得到迅猛发展，各种隧道开挖工艺不断发展，特别是一些大型有限元分析软件已具有强健的计算功能，拥有大量材料库、单元模型库和强大分析能力等。
ABAQUS软件是其中最先进的分析软件之一，在我国的土木工程等领域得到了广泛的应用。
帕隆2#隧道属于川藏公路整治改建工程的一部分，在西藏林芝境内。
该地区为高中山构造剥蚀地貌，帕隆臧布江流经隧道山体外，沿河一带地势陡峭，多为悬崖峭壁，岩体较破碎、自身承载力很弱,滑坡、泥石流、水毁、崩塌、岩堆等地质灾害严重。
再者，本隧道属于小间距隧道，开挖难度较大，故在施工之前，利用ABAQUS 软件，采用不同开挖方案分别模拟开挖过程，分析围岩应力应变关系。
据此优选合理的开挖方案，调整施工方法与支护措施，这对于超前预知工程问题，保证围岩稳定、施工安全及施工进度都具有重要的意义。
小间距隧道的间距小于规定正常间距，属于一种新型结构型式，目前还处于研究和发展阶段。
由于具有地形条件限制小、线形顺畅、施工周期较短和工程造价相对较低等优点，近些年逐渐受到工程界的重视。
目前国内外已有不少对于小间距隧道开挖问题的研究，研究的问题主要有合理间距、偏压、深浅埋等问题。
在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从70年代就开始了小间距隧道研究,娶得了大量的成果。
在国外已经修建的小间距隧道具有代表性的有：挪威的奥斯陆地下体育馆，跨度为15.5m的更衣室与跨度为25m的主馆间间距为12m；奥斯陆地下公路隧道为两并行隧道，跨度分别为12m和15.5m，隧道间距为8.0～20.0m，当其中一个隧道有小侧室（高1.5～2.0m，）时，局部地段两隧道在有小侧室的一侧可接近7m左右。
本次研究分析使用ABAQUS/CAE模拟隧道开挖过程。
由于帕隆2#隧道所处围岩属于V级围岩，故本次研究所用开挖方案以分部开挖法为基础，依次采用单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法、台阶分部开挖法，分别利用ABAQUS软件结合帕隆2#隧道实际情况对四种不同的开挖方案建立模型。
青岛清江路站隧道施工开挖方法的数值模拟与分析
青岛清江路站隧道施工开挖方法的数值模拟与分析吉香宇;岳祖润;孙铁成【摘要】依托于青岛地铁清江路站的实际工程,利用ABAQUS有限元分析软件,针对所选地铁站的地质及结构特点,建立浅埋暗挖大跨地铁车站动态开挖的力学模型,数值分析表明模拟隧道施工开挖与支护过程应符合现场实际工况、应反映现场预留的毛洞长度.对今后用ABAQUS有限元软件模拟隧道动态开挖时准确反映施工力学行为具有指导和借鉴意义.【期刊名称】《国防交通工程与技术》【年(卷),期】2013(011)001【总页数】5页(P19-23)【关键词】隧道;开挖;ABAQUS;围岩;应力释放;沉降变形;毛洞间距【作者】吉香宇;岳祖润;孙铁成【作者单位】石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】U452地下工程的施工，会引起地层移动而发生不同程度的沉降和位移，当沉降与位移达到某一个限值的时候，势必会引起地面沉陷、周边建筑物损坏、地下管线损坏等事故，从而会影响隧道和建筑物的正常运营，影响人们的正常生活［1，2］。
因此，在施工之前就应该分析和研究隧道的施工力学行为，以避免事故的发生。
隧道的施工过程对岩体本身来说，是由原始岩体经过开挖形成一部分毛洞，然后通过支护过程形成支护体系，最后达到稳定岩体的过程［3］。
而在施工过程的模拟当中，应当根据毛洞的实际长度考虑围岩的位移释放。
本文在此结合青岛市地铁一期工程清江路车站实例，利用有限元分析的方法对这个问题进行探究。
1 地铁施工的有限元模拟1．1 工程实例青岛市地铁一期工程（3号线）的清江路站位于哈尔滨路与清江路交口处，沿哈尔滨路南北方向布置。
哈尔滨路车流量较大，为双向4车道的市区主干道。
该车站计算有效站台中心里程为K12＋398．669，起点里程为 K12＋331．019，终点里程为K12＋520．019，总长189．0m；本站共设3座出入口、1座消防专用通道及两座风井。
基于 ABAQUS 的隧道二衬台车模板的数值模拟
基于 ABAQUS 的隧道二衬台车模板的数值模拟黄志强;侯新宇;李海;刘丹娜【摘要】针对贵州羊胆山隧道的二衬台车在浇筑混凝土过程中模板的内力和位移是否满足现行规范要求的问题，应用数值模拟软件 ABAQUS 进行了模拟计算，并到现场进行了实际测量，将实测侧压力值施加到模型上，得出内力及位移结果。
计算及实测结果表明，模板弧度变化最大的位置受到的压力也最大；连接板与肋板、台车结构与连杆相连接处是结构最为薄弱的地方，故在各连接处应确保足够强度；连接处的肋板对限制模板变形起到了重要作用。
%Aiming at the problem whether the internal force and displacement of template of secondary lining trolley of Yangdanshan tunnel meet the current standards and requirements during the pouring of concrete, the simulation and calculation were performed with numerical simulation software ABAQUS.In addition, the actual measurement was performed in the construction site,the measured lateral pressure was imposed on the model,and the internal force and displacement results were obtained.The calculated and measured results show that the position for the biggest template radian change will suffer the biggest pressure.The connection parts between the connection plate and rib plate as well as between the trolley structure and connecting rod are the weakest sites in the whole structure,and therefore enough strength should be ensured in each connecting part.The rib plate in the connecting part plays a very important role in limiting the template deformation.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】6页(P560-565)【关键词】二次衬砌;隧道;数值模拟;混凝土;台车;位移;侧压力;模板【作者】黄志强;侯新宇;李海;刘丹娜【作者单位】沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870;沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870;中交路桥北方工程有限公司总经理办公室，北京 100024;中交路桥北方工程有限公司总经理办公室，北京 100024【正文语种】中文【中图分类】TU755.2随着我国经济的发展，全国大兴土木，为了城市与城市之间的联系更加紧密，公路建设则被放到了重要的地位，而隧道工程由于其特殊的地理情况，历来都是公路施工建设的重点和难点，不论是施工时间、施工技术还是施工困难都比其他公路施工要大得多.而隧道台车的加入，为隧道施工争取了很多宝贵时间，很大程度上也降低了劳动力[1].衬砌包括初次衬砌和二次衬砌.隧道开挖破坏了地层的初始应力平衡，产生围岩应力释放和洞室变形，过量变形将导致围岩松动甚至坍塌.在开挖后的洞室周边，施作钢、混凝土等支撑物，向洞室周边提供抗力，控制围岩变形，这种开挖后隧道内的支撑体系称为隧道的支护.为了控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全和方便施工，隧道开挖后立即施工刚度较小并作为悠久承载结构一部分的结构层，称为初期支护.二次衬砌就是模注混凝土，模板台车浇注，视设计情况，有的部位是钢筋混凝土，有的部位是素混凝土.根据施工现场实际情况以及围岩监控量测结果，选择好二衬的施作时间，能够使结构处于最佳的受力状态[2-3].本文针对羊胆山隧道二衬台车模板进行数据现场测试，并对模板进行数值模拟分析，将现场的侧压力数据施加在模型上，同时也能够得出一些有意义的结论.1.1 工程背景本文台车适用于羊胆山隧道二次混凝土衬砌，横坡为3%～-2%，台车轮廓半径R1为5 600 mm，(半径已加大50 mm)，台车长度为12 m，模板宽度每块为1 500 mm，面板厚度为10 mm；台车枕木高为200 mm，钢轨型号为43 kg/m.工作窗数量为28个，长×宽为450 mm×5 000 mm，注浆孔数量为3个，直径φ为125 mm.台车正面图及应变片图如图1、2所示.台车模板由工厂制作定型钢模板，以保证模板的制作质量，模板制作完成，经检验合格并试拼完成后方可运至施工现场投入使用.采用C30混凝土，坍落度为175 mm，容重为2 460 kg/m3，无缓凝剂.初凝时间6小时20分，终凝时间8小时40分.1.2 现场测试现场测试是后期数值模拟计算提供修正的依据，同时也为结构的分析及设计优化提供实测资料，是整个研究中非常重要的环节.研究隧道二衬台车模板结构的设计后，选择台车断面的二分之一和两个测试截面作为测试研究对象，测试以下数据：1)利用智能弦式数码土压力盒测量混凝土对模板的侧压力；2)利用智能弦式数码土压力盒测量外层混凝土的温度变化；3)利用电阻式应变计测量模板结构斜向支撑杆件的应变；4)利用电阻式应变计测量模板结构上部工作平台的竖向支撑立柱的应变.1.3 测点布置及测试方法选择台车断面的二分之一和两个测试截面作为测试研究对象，沿台车的轴线方向取2个测试截面，每个截面布置4个压力盒，由于顶部模板位置无法安设压力盒，故压力盒安设在侧模板工作窗口位置，如图3所示.第1个压力盒布置在台车模板弧度变化最大的高度，第2个压力盒布置在台车模板第1个工作窗口处，第3个压力盒布置在台车模板第2个工作窗口处，第4个压力盒布置在台车模板第3个工作窗口处[4].在分别对应于每个测试截面的模板结构第1、2、3个斜向支撑杆件布置电阻式应变计；在对应于每个测试截面的模板结构上部工作平台的竖向支撑边立柱布置电阻式应变计，中间立柱布置电阻式应变计[5].利用压力盒每15 min测试侧压力及温度一次，模板侧压力及温度趋于稳定后，测试间隔时间可适当延长，直至测试结束.应变传感器直接用电脑进行数据采集现场测试，如图4所示.混凝土浇筑开始时间为2014年8月10日15时00分，浇筑完毕时间为2014年8月10日22时55分.19时05分至19时37分工人休息，因此，浇筑时间为7小时22分.混凝土浇筑厚度为400 mm，浇筑速度为1.0 m/h.1.4 侧压力及温度测试结果图5～8为截面1、2模板的侧压力和温度变化曲线.在整个浇筑过程中，模板侧压力经过了4个阶段.第1阶段，在测试时间2 h以内，作用在模板上的侧压力很小，基本没有变化.第2阶段，在2～3.25 h之间，混凝土浇筑高度约为2～3.25 m，此高度范围也是模板外侧弧度变化最大的高度，呈线性快速增长趋势，这是由于混凝土是在台车上部持续泵送，混凝土在狭小的空间下落，对模板的冲击较大，持续振捣产生的冲击力也较大，使得此阶段压力快速增长.同时，1-1压力盒位于模板弧度变化最大的位置，此阶段其压力增长最快，其第一压力峰值也最高，说明弧度变化最大位置的模板受到的压力最大，在模板设计中要注意该问题.此阶段混凝土温度变化不大，约为2 ℃.第3阶段，在3.25～5.25 h之间，随着混凝土持续浇筑振捣，压力呈持续下降趋势，这是由于随着混凝土浇筑高度的提高，模板弧度趋缓，混凝土浇筑面沿着模板弧度上升.与此同时，混凝土发生收缩，水泥浆逐渐失去塑性，混凝土受到重力的作用逐渐密实，并在内部产生抗剪强度，同时混凝土与模板之间的粘结力也逐渐增大，起到了“自立”和“起拱”的作用[6]，因此，作用在模板上的压力减缓.此阶段混凝土温度变化不大.第4阶段，在混凝土接近、达到初凝后，压力开始增长，这是由于混凝土水化程度加大，混凝土温度升高，致使温度应力增加，从而使作用在模板上的压力重新开始提高，在达到10 h时，1-2、1-3压力盒的压力先后达到最大值，1-3压力盒侧压力最大，约为0.022 MPa，1-4压力盒侧压力达到浇筑阶段的第一个峰值，侧壁混凝土在此时已经开始终凝，压力缓慢下降，顶部混凝土水化加速，在10 h初凝，压力达到第二个峰值，随后测试终结.此阶段混凝土温度提高约18 ℃.1.5 局部模板结构变形的现场测试图9、10为截面1和顶部立撑的应变变化曲线.从测试结果可以看出，模板结构的斜向支撑杆1压应变在混凝土浇筑振捣阶段呈增长趋势，在侧模混凝土浇注中，由于侧模受压，而顶模上并无约束，因此造成架体上浮，门架斜向支承所承受的预紧力逐渐减小，测得的应变有一段时间的下降，下降幅度较大，直至顶模浇注开始，由于顶模受压，应变重新开始上升，直至达到峰值，第二个斜向支撑应变最大，达到100 με.混凝土浇筑结束后，随着混凝土初凝的到来，斜向支撑杆件应变下降.模板结构上部工作平台的竖向支撑立柱的应变比斜向支撑杆件压应变小，边立柱应变大于中间立柱的应变，变化趋势与斜向支撑杆件类似.在侧模混凝土浇注中，测得的竖向支撑立柱的应变降低，造成架体上浮，直至顶模浇注开始.由于顶模受压，应变重新开始上升，直至达到峰值，边立柱受力比较复杂，其最大压应变约为80 με.从测得的斜向支撑杆件、竖向支撑立柱应变数据来看，模板支撑结构是安全的.在施工作业过程中，对斜向支撑必须施加牢固可靠的支撑，以避免模板侧模底部变形，造成混凝土衬砌时漏浆跑模，影响施工质量[7-8].2.1 模型的建立利用ABAQUS 6.13软件对该模型进行模拟计算，模型所有尺寸和构件位置均按照羊胆山隧道台车设计图建立，同时为了建模计算简便省时，在不影响整个结构的前提下，建模进行了一定的简化[9].本文首先简化的是混凝土一次性浇筑到7.33 m 高度这种极端情况，暂时还没有模拟分层浇筑混凝土，且没有考虑改变混凝土浇筑速度、混凝土温度场变化的热传导分析、混凝土的水化、混凝土凝结的流固耦合等因素的影响.模拟的研究对象为一榀台车，一榀台车的模板宽度为3 000 mm，台车钢板厚度均取为10 mm，模板厚度为12 mm，肋板厚度为10 mm，连杆的钢板厚度为20 mm.在台车的本构关系中，弹性模量为2.1×1011 Pa，钢板的密度为7 800 kg/m3.台车模板可建立为2个部件，一个由台车主体和连接板组成，另一个由模板和连杆组成[10]，如图11所示.2.2 模型及边界条件的施加台车模型分2步进行加载：第1步，施加台车自身重力荷载；第2步，施加二衬荷载.二衬荷载主要考虑混凝土浇筑过程中产生的荷载，将现场实测的侧压力加载到模型上进行计算[11].根据工程实际受力情况，模型中台车底部为固定约束，模板以及肋板的边界为对称约束.连杆与连接板根据CAD图对相应的节点采用刚接(绑定)与铰接(HINGE)约束[12].2.3 温度场的施加由于在混凝土浇筑凝结的过程中产生大量水化热，致使混凝土的温度有所提高[13].根据现场测试的温度，混凝土由27 ℃上升到了47 ℃，有了较大的温度变化，故在数值模拟过程中需要加入一个温度场，来近似模拟真实施工情况.在整体模型上加入一个27 ℃～47 ℃～27 ℃的温度场[14].模型整体的最大应力为1.1×108 Pa，最大应力云图如图12所示.台车的应力云图如图13所示.由应力云图可以看出，结构的最大应力远小于2.1×108 Pa，结构并没有达到屈服且存在较大余量，过于保守，相对于台车的结构，模板、连杆和肋板的受力比较大.肋板在两个拱肩处的应力比最高点和最低点的应力要大得多.由此可以看出，二衬对台车的力主要集中在肩部[15].连接板以及连接板与肋板、台车结构和连杆相连接处是结构最为薄弱的地方，连杆的中部应力较小，而两端与连接板相连接处的应力明显增大，其最大应力也是结构的最大应力，出现在最下面连接板与相应连杆和台车的连接处，其值为1.1×108 Pa.因此，各连接处应确保足够的强度.由台车应力云图可知，台车的应力主要集中在各个连接处，最大应力为4.165×107 Pa.台车净空的上部相当于单点加载的梁，根部会出现向上的应力线，此处也应注意加强.而上部整个横梁的1/3、2/3处应力较小，可以适当地调整.但总体上台车的应力没有超过屈服强度，约为其1/5.图14、15为模型整体和台车的位移云图.模型整体的最大位移为1.584 mm，最大位置出现在肩部，整体是向内的运动趋势，台车的最大位移为0.262 mm.本文通过分析得出以下结论：1) 整个台车最大位移为1.584 mm，满足规范要求.距离隧道底板约1 m是模板弧度变化最大的位置，混凝土浇筑开始阶段其压力增长最快，其第一压力峰值也最高，说明该弧度变化最大位置的模板受到压力最大，在混凝土施工中要注意这个问题. 2) 模板结构的斜向支撑杆件压应变在混凝土浇筑振捣阶段呈增长趋势，最大压应变约为100 με.在施工作业的过程中，对斜向支撑必须施加牢固可靠的支撑，以避免模板侧模底部变形，造成混凝土衬砌时漏浆跑模，影响施工质量.3) 连接板以及连接板与肋板、台车结构和连杆相连接处是结构最为薄弱的地方，其最大应力也是结构的最大应力，出现在最下面连接板与相应连杆和台车的连接处.因此，各连接处应确保足够的强度.4) 结构的最大应力远小于2.1×108 Pa，结构并没有达到屈服，并存在较大的余量，过于保守.在台车的结构中，模板、连杆和肋板的受力比较大.肋板在两个拱肩处的应力比最高点和最低点的应力要大得多.由此可以看出，二衬台车的力主要集中在肩部.(LI Shu-cai，LIU Bin，SUN Huai-feng，et al.State of art and trends of advanced geological prediction in tunnel construction [J].Chinese Journalof Rock Mechanics and Engineering，2014，33(6)：1090-1113.)(LI Peng-fei，ZHANG Ding-li，ZHAO Yong，et al.Study of mechanical characteristics of secondary lining of large-section loess tunnel [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(8)：1690-1696.) (SHU Hong-bo，LI Zhi-da，LIU Jin-yong.Interaction between tunnel surrounding rock and early support during process of tunnel consturcion [J].Highway，2011(5)：232-237.)(WANG Guang-yong.Discussion on design of multi-functional jumbo [J].Road Machinery & Construction Mechanization，2014，31(4)：98-100.) (CHENG Wei，HE Yong，WANG Bao-min.Design and analysis of structureof three-change steel form jumbo [J].Coal Mine Machinery，2015，36(4)：54-56.)(SONG Ke-zhi，LI Fu-xian，ZHU Lei-min，et al.Analysis on sensitivity of influencing factors of tunnel secondary lining structure stress [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2014，31(2)：86-91.)(CHEN Wen-chen，SONG Yuan-zhuo，JIN Long，et al.Numericalcalculation and analysis of steel trolley of highway tunnel [J].Mechanical Research & Application，2014，27(1)：105-110.)(BAI Yun-fei.Design of based on ANSYS tunnel lining trolley gantry frame bolt [J].Construction Machinery Technology & Management，2009，22(7)：104-106.)(XU Ai-ying，NIU Xu，ZHAO Zeng-yao.Trolley tunnel lining structure ofthe finite element simulation and optimal design [J].Journal of Tarim University，2009，21(3)：26-29.)(WU Hui-ping.Finte element analysis for structure of rock drilling [J].Coal Mine Machinery，2014，35(8)：103-104.)(TAN Xian-jun，CHEN Wei-zhong，WANG Hui，et al.Research on temperature control technology for winter construction of tunnel concrete liningin cold regions [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(1)：150-160.)(WANG Qiang，XIA Fei，LIU Tai-qian，et al.Temperature field analysis on high-strength mass concrete in construction process [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(4)：453-458.)(YUAN Guang-lin，LI Zhi-qi，WANG Yong，et al.Nolinear finite element analysis for the temperature field reinforce concrete slabs [J].Journal of Sichuan University (Engineering Science Edication)，2015，47(3)：44-52.)。
帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
前言隧道开挖是隧道工程施工的重要环节之一，是工程建设的重要内容，直接决定着隧道工程项目目标的实现。
自改革开放以来，我国土建行业得到迅猛发展，各种隧道开挖工艺不断发展，特别是一些大型有限元分析软件已具有强健的计算功能，拥有大量材料库、单元模型库和强大分析能力等。
ABAQUS软件是其中最先进的分析软件之一，在我国的土木工程等领域得到了广泛的应用。
帕隆2#隧道属于川藏公路整治改建工程的一部分，在西藏林芝境内。
该地区为高中山构造剥蚀地貌，帕隆臧布江流经隧道山体外，沿河一带地势陡峭，多为悬崖峭壁，岩体较破碎、自身承载力很弱,滑坡、泥石流、水毁、崩塌、岩堆等地质灾害严重。
再者，本隧道属于小间距隧道，开挖难度较大，故在施工之前，利用ABAQUS 软件，采用不同开挖方案分别模拟开挖过程，分析围岩应力应变关系。
据此优选合理的开挖方案，调整施工方法与支护措施，这对于超前预知工程问题，保证围岩稳定、施工安全及施工进度都具有重要的意义。
小间距隧道的间距小于规定正常间距，属于一种新型结构型式，目前还处于研究和发展阶段。
由于具有地形条件限制小、线形顺畅、施工周期较短和工程造价相对较低等优点，近些年逐渐受到工程界的重视。
目前国内外已有不少对于小间距隧道开挖问题的研究，研究的问题主要有合理间距、偏压、深浅埋等问题。
在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从70年代就开始了小间距隧道研究,娶得了大量的成果。
在国外已经修建的小间距隧道具有代表性的有：挪威的奥斯陆地下体育馆，跨度为15.5m的更衣室与跨度为25m的主馆间间距为12m；奥斯陆地下公路隧道为两并行隧道，跨度分别为12m和15.5m，隧道间距为8.0～20.0m，当其中一个隧道有小侧室（高1.5～2.0m，）时，局部地段两隧道在有小侧室的一侧可接近7m左右。
本次研究分析使用ABAQUS/CAE模拟隧道开挖过程。
由于帕隆2#隧道所处围岩属于V级围岩，故本次研究所用开挖方案以分部开挖法为基础，依次采用单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法、台阶分部开挖法，分别利用ABAQUS软件结合帕隆2#隧道实际情况对四种不同的开挖方案建立模型。