第14章 隧道工程数值模拟技术.
隧道的计算模型及数值法在隧道计算模型中的应用
隧道的计算模型及数值法在隧道计算模型中的应用摘要：本文介绍了地下工程中常用的四种设计模型：经验设计法、收敛-约束法、载荷-结构模型及连续介质模型。
重点阐述了隧道设计计算方法的两种常用方法：载荷-结构法和地层-结构法，并利用ABAQUS有限元软件分别对两种计算方法下的模型进行了数值模拟和结果分析，得到了一些有意义的结论。
关键词：设计模型、载荷-结构法、地层-结构法、ABAQUS1 隧道结构设计发展历程及现状地下结构的计算理论发展较晚。
在一定时期内，地下结构物只是作为一种特殊的结构物来处理，主要依靠经验进行建设。
随着地上结构计算理论的发展，部分理论才开始应用于地下结构。
然而经过长时间的实践探索，人们逐渐认识到地下结构的受力与地面结构完全不同，特别是地层抗力概念的引入，地下结构计算理论才真正开始建立。
隧道结构的设计理念的发展经历了刚体力学、弹性力学、粘弹性力学、弹塑性力学和粘-弹-塑性力学几个发展阶段。
早期的地下建筑多采用以砖石为主要建筑材料的拱形结构，因而计算方法主要采用拱桥的设计理念，采用压力线理论将地下结构视为刚性的三铰拱结构。
以此为代表的主要有海姆（A. Haim）理论、朗肯（W. J. M. Rankine）理论[1]。
这些方法将地下结构置于极限平衡状态，可按静力学原理进行计算。
但刚性设计方法比较保守，没有考虑围岩自身的承受能力。
十九世纪后期，随着钢筋混凝土材料大量应用于建筑结构，将超静定计算方法引入地下结构计算。
O. Kommerell（1910）在整体式隧道衬砌的计算中首次引入弹性抗力概念，将衬砌边墙所受抗力假设为直线分布，并将拱圈视为无铰拱结构[2]。
Hewett 和Johason（1922）在此基础上将弹力抗性分布假设为更接近实际情况的梯形，并以衬砌水平直径处的位移等于零为条件来确定衬砌抗力幅值[3]。
H. Schmid 和R. Windels （1926）利用连续介质弹性理论分析了地层和圆形衬砌间的相互作用[4]。
精选第14章隧道工程数值模拟技术
(6)喷射混凝土厚度的优化 在隧道锚喷设计中通常采用等厚度初衬，而初衬的受力
不均匀，部分部位受力较大，而有些部位受力较小，尤其对于处于偏压荷载状态下的
喷射混凝土衬砌，更是突出。
(7)优化小结
14.3.8 山区浅埋偏压连拱隧道锚喷支护的优化算
例(APDL语言优化算法)
图14-23 隧道断面及支护方式
形分别按弹塑性和线弹性考虑能较好地反映岩体和混凝土材料变形的非线性和线性，
Ⅱ级围岩用D-P材料来模拟且不考虑其体积膨胀，混凝土为线弹性材料，岩体和混凝
土使用ANSYS程序中的二维四节点等参单元plane42模拟，锚杆用平面杆单元link1来
模拟。
(3)锚杆的优化模型
(4)锚杆优化结果分析 中洞优化锚杆的三种方法：方法1，以锚杆利用率最高为目标
14.1.2 岩石材料的本构关系
图14-1 岩石材料应力-应变关系的典型试验曲线
a)砂岩 b)大理岩
14.1.2 岩石材料的本构关系
图14-2 弹塑性岩石材料的
应力-应变关系
图14-3 弹塑性模型
14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
(1)Von Mises屈服准则 Von Mises屈服准则假定：屈服是由最大形状变形能(也称畸
2)岩体变形是各向同性的。
3)隧道受力变形为平面应变问题。
4)围岩的初始应力场由自重应力构成，不考虑构造应力的影响。
3.开挖方法及施工工序
图14-7 数值模型网格划分图
4.数值模拟结果分析
(1)围岩应力场
(2)中墙初期支护应力分析 本工程初期支护包括：管棚注浆+格栅钢拱+3.5m长砂浆
锚杆＋钢筋网+ 25cm 厚的C25 喷射混凝土，管棚注浆和锚杆采取提高围岩参数的办
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在现代社会中，隧道及地下工程结构设计计算方法与应用是一个十分重要的课题。
隧道工程是一项基础设施工程，它在城市建设、交通运输等方面发挥着重要作用。
隧道结构设计的质量和安全性对于城市的发展和人民生活的质量都有着直接的影响。
在隧道设计计算中，最重要的是要考虑隧道的结构特点、地质情况、地下水情况以及使用要求等因素。
在结构设计计算方法中，首先需要对隧道的施工条件和使用要求进行充分的了解和分析。
其次需要对隧道的结构形式和受力特点进行详细的研究和计算。
最后需要进行隧道的地质勘察和地下水情况的调查，以便对隧道的地质条件和地下水情况进行合理的评估和计算。
隧道及地下工程结构设计计算方法与应用的深度和广度要求是非常高的。
在进行隧道设计计算时，需要全面考虑隧道的结构特点、地质情况、地下水情况以及使用要求等因素，并且需要对这些因素进行充分的了解和分析。
在隧道设计计算的深度方面，需要对隧道的结构形式和受力特点等进行详细的研究和计算。
在隧道设计计算的广度方面，需要对隧道的地质勘察和地下水情况进行全面的调查和评估。
只有在深度和广度兼具的基础上，才能够进行有价值的隧道及地下工程结构设计计算，并且保证隧道的工程质量和安全性。
在文章中，我将从以下几个方面对隧道及地下工程结构设计计算方法与应用进行全面的评估和探讨：一、隧道及地下工程结构设计计算方法1.1 隧道结构特点分析1.2 隧道受力特点计算1.3 隧道施工条件考虑二、隧道及地下工程结构设计计算应用2.1 地质勘察分析2.2 地下水情况调查2.3 使用要求评估与计算总结回顾：通过对隧道及地下工程结构设计计算方法与应用的深度和广度要求进行全面评估和探讨，我们可以得出以下几点结论：隧道设计计算需要全面考虑隧道的结构特点、地质情况、地下水情况以及使用要求等因素，这是对隧道设计计算深度和广度的要求。
隧道设计计算的深度要求需要对隧道的结构形式和受力特点进行详细的研究和计算，而隧道设计计算的广度要求需要对隧道的地质勘察和地下水情况进行全面的调查和评估。
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。
隧道与地下工程数值模拟作业岩土体本构模型及适用条件
岩土体本构模型及适用条件0引言岩土材料的本构理论是现代岩土力学的基础。
广义上说，本构关系是指自然界的作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。
土体是一种地质历史产物，具有非常复杂的非线性特征。
在外荷作用下，表现出的应力—应变关系通常具有弹塑性、黏性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状。
土体本构模型就是在整理分析试验结果的基础上，用数学模型来描述试验中所发现的土体变形特性。
采用数值方法分析岩土工程问题时，关键技术就是模拟岩土介质的本构响应。
作为天然材料的岩土是由固体颗粒、水、空气组成的三相介质，具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、磁滞性、各向异性等性状，其应力—应变关系非常复杂。
自Roscoe等创建Cam- clay模型至今，已出现数百个本构模型，得到工程界普遍认可的却极少，严格地说还没有。
事实上，试图建立能反映各类岩土工程问题的理想本构模型是困难的，甚至是不可能的。
另一方面，岩土介质具有各向异性特征早已为人们熟知，但对其开展深入研究却很少。
同时，随着人类工程活动范围和规模的扩大，对岩土的渗透特性与水力耦合作用的研究显得尤为紧迫。
因此开展考虑各向异性和渗流—应力耦合作用的岩土本构模型的研究具有重要的理论价值和实际工程应用背景。
1传统的岩土本构模型1.1 弹性模型对于弹性材料，应力和应变存在一一对应的关系，当施加的外力全部卸除时，材料将恢复原来的形状和体积。
弹性模型分为线弹性模型和非线性弹性模型两类。
线弹性模型和非线性弹性模型，其共有的基本特点是应力与应变可逆，或者说是增量意义上可逆。
这类模型用于单调加载时可以得到较为精确的结果。
但用于解决复杂加载问题时，精确性往往不能满足工程需要，因此引发了弹塑性本构模型的发展。
1.2 弹塑性模型弹塑性模型的特点是在应力作用下，除了弹性应变外，还存在不可恢复的塑性应变。
应变增量。
分为弹性和塑性两部分，弹性应变增量用广义虎克定律计算，塑性应变增量根据塑性增量理论计算。
隧道力学特征及数值模拟方法
2隧道力学特征及数值模拟方法2.1隧道开挖生成的围岩二次应力场特征岩体在开挖前处于初始应力状态，初始应力主要是由于岩体的自重和地质构造所引起的。
在岩体进行开挖后改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力状态重新分布，引起岩体变形甚至破坏。
在这个时间工程中，地层应力是连续变化的，特别地，洞室开挖后在未加支护的情况下，地层应力所达到的新的相对平衡称为围岩的二次应力状态。
一般来说，二次应力场是三维场。
在隧道施工过程中，横向的二次应力作用使得洞周围岩的应力状态和变形状态发生了显著的变化，可将洞周围岩从周边开始逐渐向深部分为4个区域：(1)松动区由于施工扰动(例如施工爆破)，区内岩体被裂隙切割，越靠近洞室周围越严重，其内聚力趋近于零，内摩擦角也有所降低，强度明显削弱，基本无承载能力，在重力的作用下，产生作用在支护上的松动压力。
(2)塑性强化区这一区域是围岩产生变形的根源。
隧道开挖后破坏了地层的原状力线，在洞体四周产生了很高的应力集中，此时，该处只存在切向应力和指向隧道中心的径向不平衡力，切向应力由承载拱承担，而对于径向应力，毛洞是无法承担的，所以要释放(在有支护的情况下一部分被初期支护承担)。
这就造成了洞体开挖后四周的围岩向隧道中心发生位移，周边的径向应力逐渐趋向零，而切向应力随着径向位移而增大。
这一应力状态的变化导致岩体从初始的二轴(这里只考察平面应力状态)受压状态转变为单轴受压状态，使得这一区域围岩处于非常不利的受力状态，当这一应力状态超过岩体的强度极限时，洞室周围出现了塑性区域或者破坏区域，产生塑性变形。
如果洞室周围塑性区域扩展不大，随着径向位移的出现，地层塑性区域达到稳定的平衡状态，围岩没有达到承载能力的极限值；但是如果塑性区域继续扩展，则必须采取支护措施约束地层运动，才能保持洞室围岩处于稳定状态，这时为了阻止地层运动，就显出塑性变形压力。
(3)弹性变形区域这一区域内岩体在二次应力作用下仍处于弹性变形状态，各点的应力都超过原岩的应力，应力解除后能恢复到原岩应力状态。
公路隧道数值模拟(分析讲课版)
广东省交通厅科技项目复杂地质条件下隧道施工安全保障技术研究茶林顶公路隧道初始应力状态及施工力学数值模拟目录1 工程概况 (1)2 工程地质条件 (1)2.1地形地貌 (1)2.2地质构造 (1)2.2.1褶皱 (1)2.2.2断层 (1)2.3地层岩性 (1)3 MIDAS/GTS简介 (2)4隧道岩体应力场的数值模拟 (3)4.1数值分析模型的建立 (3)4.2数值模拟结果分析 (4)4.2.1 最大主应力特征 (4)4.2.2 最小主应力特征 (7)4.2.3 最大剪应力特征 (9)4.3主要结论 (12)5隧道典型横断面施工力学数值模拟 (12)5.1计算参数的选取 (12)5.2数值分析模型的建立 (13)5.3施工过程控制 (14)5.4数值分析结果及其分析 (14)5.3.1围岩位移特征 (14)5.3.2围岩应力特征 (21)5.3.3围岩屈服接近度特征 (32)5.3.4断层带位移特征 (35)5.3.5断层带应力特征 (41)5.3.6断层带屈服接近度特征 (50)5.3.7隧道初期支护结构内力及应力特征 (53)5.5主要结论 (67)6 结论和建议 (67)1 工程概况广梧高速公路茶林顶公路隧道左线起点里程LK71+566，终点里程LK74+261，全长2695m；右线起点里程RK71+632，终点里程LK74+246，全长2614m。
为双洞四车道，左、右线隧道分离布设，设计行车速度为80km/h。
2 工程地质条件2.1地形地貌隧道地处茶林顶重丘山岭区，山体走向总体呈近北东或北西向，地势总体呈南高北低，隧道线路经过最大高程约为355m，隧道进出口丘山体呈缓坡状，自然坡度为10°~20°，隧道中部山顶及山凹两侧山坡坡度较大，约30°~35°，山体植被茂密，主要生长松树和杂草，山体地表发育有数条小沟谷，部分沟谷内有长年流水，地表水量较小，隧道中部为一较大沟谷（分水凹），呈北东方向，平时无水流，但大雨时水量较大。
隧道工程中的岩层稳定性分析
隧道工程中的岩层稳定性分析隧道工程是一项复杂而重要的工程，对岩层稳定性的分析是确保隧道安全建设的关键。
本文将介绍隧道工程中岩层稳定性的分析方法和技术。
一、隧道工程中的岩层稳定性分析概述在隧道施工过程中，岩层的稳定性是一个至关重要的问题。
如果岩层不稳定，就可能导致洞穴塌方、地质灾害等严重后果。
因此，进行岩层稳定性分析是隧道工程的基本要求之一。
二、岩层稳定性的评估指标1. 地应力地应力是岩层稳定性分析的一个重要参数。
通过测量地应力大小和变化趋势，可以判断岩层的稳定性状况。
2. 岩石力学参数岩石力学参数包括岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。
通过测试这些参数，可以确定岩层的稳定性。
3. 水文地质参数水文地质参数包括地下水位、渗透性和含水量等。
这些参数的变化对地下岩层的稳定性具有重要影响。
三、岩层稳定性分析方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的岩层稳定性分析方法。
它通过借助计算机软件，对隧道工程中的岩层进行模拟和分析，可以预测岩层的变形和破坏情况，评估其稳定性。
2. 统计方法统计方法是通过统计大量实测数据和观测数据，来确定岩层的稳定性。
通过对数据的分析和比对，可以判断岩层是否处于稳定状态。
3. 实地勘察方法实地勘察方法是一种直接观察和测量隧道工程现场的方法。
通过对岩层的实地勘察和监测，可以了解岩层的实际情况，进而评估其稳定性。
四、岩层稳定性分析技术1. 地面测量技术地面测量技术是一种非常重要的岩层稳定性分析技术。
通过使用测量仪器，如全站仪、测距仪等，可以获得隧道工程现场的地形、地貌等数据，用于稳定性的分析。
2. 地球物理勘探技术地球物理勘探技术是通过使用地震波、电磁波等物理信号，对岩层的内部结构和性质进行探测的技术。
通过对地下岩层的勘探，可以获取到岩层的相关参数，用于岩层稳定性的分析。
3. 遥感技术遥感技术是一种通过卫星遥感图像、航空照片等数据，对隧道工程附近的地貌、岩层等进行分析的技术。
通过借助遥感技术，可以获取到大范围的岩层信息，进而对岩层的稳定性进行评估。
公路隧道施工过程的数值模拟及ANSYS实现
杀死单元时 ,程序将通过用一个非常小的数乘 以单元的刚度 ,并从总质量矩阵消去单元的质量来 实现“杀死”单元 。无活性的载荷 (压力 、热通量 、热 应变等等) 被设置为零 。隧道开挖时 ,可直接选择将 被开挖掉的单元 ,然后将其杀死 (ekill) ,即可实现开 挖的模拟 。
“施加虚拟支撑力逐步释放法”对隧道施工过程 的模拟连续进行 ,不需要应力和位移的叠加 ,使得分 析过程更为简单 ,也更符合施工实际 。
图 1 “施加虚拟支撑力逐步释放法” 隧道施工过程模拟示意图
2 隧道施工过程模拟的 ANSYS 实现 21 1 初始地应力的模拟
在 AN S YS 程序中 ,有两种方法可用来模拟初 始地应力 ,一种是只考虑岩体的自重应力 ,忽略其构 造应力 ,在分析的第一步 ,首先计算岩体的自重应力 场 。这种方法计算简单方便 ,只需给出岩体的各项 参数即可计算 。不足之处在于计算出的应力场与实 际应力场有偏差 ,而且岩体在自重作用下还产生了 初始位移 ,在继续分析后续施工工序时 ,得到的位移 结果是累加了初始位移的结果 ,而现实中初始位移
在一些情况下 ,单元的生死状态可以根据 AN2 S YS 的计算结果来决定 ,如应力 、应变等 。利用这 一功能 ,在模拟过程中根据计算结果 ,可以将超过许 用应力 (线弹性分析时) 或许用应变 (弹塑性分析时) 的单元杀死 ,以此来模拟围岩或结构的破坏 。
AN S YS 单元生死功能在杀死或激活单元时 , 对单元的内在属性 ,如应力 、位移等 ,作了有效的处 理 。因此使用单元的生死功能来模拟隧道的开挖和 支护 ,比单纯使用“空单元”模拟开挖和改变材料号 来模拟支护更为准确 ,结果更为可靠 。 21 oint 西部交通科技
隧道掘进开挖数值模拟分析
隧道掘进开挖数值模拟分析1道掘进开挖数值模拟分析1.1模拟方案的选取隧道掘进开挖模拟方案Ⅰ以重庆地区的土质参数，分别选取中风化砂岩和中风化泥岩的土体参数建立土体的有限元模型。
轻轨隧道采用直径为5.5m的圆形断面，隧道埋深为1.5倍（8.3m）隧道直径，内空开挖高度约5.5m，下台阶开挖高度2.75m，上台阶开挖高度2.75m。
通常隧道掘进开挖循环进尺IV级围岩进尺最好控制在3米以下；V级围岩不超过1.2米。
图1.1 模型桩与开挖隧道XOY平面布置示意图图1.2 模型桩与开挖隧道XOZ平面布置示意图隧道掘进开挖模拟方案Ⅱ选取武汉地区的土质参数建立土体的有限元模型。
轻轨隧道采用直径为5.5m的圆形断面，隧道埋深为1.5倍（8.3m）隧道宽度，内空开挖高度约5.5m，下台阶开挖高度2.75m，上台阶开挖高度2.75m。
隧道掘进开挖模拟方案Ⅲ选取南京地区的土质参数建立土体的有限元模型。
轻轨隧道采用直径为5.5m的圆形断面，隧道埋深为1.5倍（8.3m）隧道宽度，内空开挖高度约5.5m，下台阶开挖高度2.75m，上台阶开挖高度2.75m。
1.2模型的建立以及计算参数该模型的建立采用MIDAS/GTS有限元软件。
模型的边界条件定义如下：地表面定义为自由面，没有约束；左右两侧的X方向的水平位移被法向约束；模型底部边界的X、Z方向被全约束，采用自重地应力场。
研究电缆隧道掘进开挖引起的最终地表和桥墩桩基础的沉降规律以及变形是本模型模拟的目的，因此支护和荷载释放（开挖时全部释放）在本模型中不考虑。
1.3计算结果在MIDAS/GTS软件中建立模型，在前处理根据轻轨隧道的几何尺寸建立几何模型、并划分网格，设定边界条件和荷载条件，定义施工阶段，设定分析类型为施工阶段分析。
隧道掘进开挖模拟结果分析图1.2 隧道掘进开挖有限元模型分析可知在中风化砂岩体中当临近桥墩桩基础与隧道横断面中轴线的垂直距离大于5.5m时，因隧道开挖导致土体挠动引起临近桥墩桩基础竖向沉降的影响随着桩洞距的增加而变化不大，且数值非常微小。
隧道施工数值模拟及衬砌强度安全系数分析
文章编号:1007Ο2993(2004)05Ο0258Ο05隧道施工数值模拟及衬砌强度安全系数分析王 勇(北京交通大学土建学院,北京100044) 【摘 要】 以某隧道为背景,采用二维弹塑性有限元分析方法,模拟隧道开挖和支护过程,计算衬砌和围岩内力及衬砌的强度安全系数,研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响,探讨最小衬砌安全厚度,为类似隧道设计施工提供科学依据。
【关键词】 隧道;有限元方法;数值模拟;强度安全系数【中图分类号】 TU94Numerical Simulation on Tunnel Construction andSecurity Analysis of the Lining Structure StrengthWang Y ong(College of Civil and Architecture Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044China)【Abstract】 By using the2DΟFEM of elasticΟplasticity,simulation of tunnel excavation is carried out,and the internal force and safety coefficient of the lining is calculated to ins pect structure security.Then the thesis discusses the effect of thickness chan ging on lining safety coef2 ficient and structure stability,thus offers guidance and reference for the design and construction of similar highway tunnel.【K ey w ords】 tunnel;FEM;numerical simulation;safety coefficient0 引 言隧道衬砌的投资约为隧道全部投资的1/4～1/3。
隧道分部开挖工法的施工数值模拟
论文THESIS在隧道建设过程中，CD 法、CRD 法及双侧壁导坑法等分部开挖工法是穿越软弱破碎围岩段的主要工法。
在隧道分部开挖工法的实际工程应用中，对如何分部或分块的施工优先级别并没有特别的规定，目前主要依据工程经验由施工单位自行决定，仅有极少数关键工程或重要地段得到有效研究，选取较为理想的开挖顺序施工。
隧道施工动态数值模拟在数值计算中，隧道断面尺寸为宽15m，高10m，由4种不同半径的7个圆弧组成。
CD 和CRD 法均分为四个块体，区别在于CD 法没有临时横撑，故只列出CRD 法的尺寸及块体划分情况(如图1)。
隧道断面由中线和中隔墙分为不同块体，分别按①②③④⑤⑥命名（如图1）。
利用建模功能强大的ANSYS 数值分析软件建立三维计算模型，然后导入FLAC3D 软件中进行计算，CRD 法构建的计算模型。
CD 及双侧壁导坑法的模型尺寸与CRD 法一致，但隧道分部开挖工法的施工数值模拟文/连云港市交通工程建设处 潘伟华 连云港港口集团有限公司 冯日利行非线性静力分析，其相关计算参数参照公路隧道设计细则V 级围岩的物理力学参数选取，对锚杆加固的岩土体围岩，按经验采取提高其c、φ值来加以仿真模拟，其余材料均使用线弹性本构关系。
三种工法的围岩及支护材料物理力学参数取值如表1所示。
考虑到实际施工情况及对称因素，隧道CD、CRD 及双侧壁导坑法分别选取四种施工工序（如表2、表3）。
利用建立的三维数值计算模型，对CD 及CRD 法按表2中所列出的4中施工工序进行动态施工模拟，每次开挖进尺2.5m，等应力重分布结束后通过改变材表1 隧道围岩及支护材料物理力学参数表2 CD/CRD法开挖顺序种类划分表3 双侧壁导坑法开挖顺序种类划分图1 CRD及双侧壁导坑法隧道尺寸及块体划分隧道开挖部分划分的块体数量存在差异，相对应的初次衬砌及锚杆作用区块体大小也不相同。
为减小边界效应的影响，左右及下边界取7倍至10倍于隧道开挖直径，远大于通常采用的3倍至5倍。
公路隧道开挖数值模拟
公路隧道开挖数值模拟摘要：本文采用弹塑性理论，利用通用有限元程序abaqus建立公路隧道二维有限元模型，模拟实际的隧道开挖过程，对开挖过程中的围岩应力场和位移场进行分析研究，可以为隧道的结构设计和工程施工提供参考。
关键词：公路隧道数值模拟隧道围岩一、提要近十年来，我国高等级公路建设取得了突飞猛进的发展，伴随而来的是公路隧道的建设也取得了超常规快速发展。
由于缺少相关施工经验，对不同条件下（地质条件、洞室大小、施工方法、支护条件等）公路隧道开挖[4] 前后，围岩应力分布的时空特征认识不清，从而导致围岩压力计算在很多情况下不准确，进而引起衬砌结构设计、隧道施工的失误，最终导致重大经济损失。
随着计算技术、岩土工程的理论与工程实践研究的发展，许多新的数值计算方法[5][6] 在隧道工程中得到广泛的应用，如今数值模拟[7][8] 已经是解决不同岩体结构、围岩与支护相互作用、隧道围岩压力、围岩应力与变形、围岩破坏过程与破坏机制的主要方法。
本文采用有限元非线性分析公路隧道的方法，应用弹塑性力学理论[10]，在每次加载迭代后，用弹塑性的屈服准则判断每个单元是否破坏后，再对整体刚度矩阵进行修改，更好的反映出岩体的高非线性，系统直观的对不同条件下公路隧道开挖后围岩应力分布和变形进行分析，对于工程实践能够起到一定的指导作用。
二、隧道围岩的弹塑性本构模型可将隧道围岩看成理想弹塑性材料，可以采用莫尔库仑模型模拟围岩的本构关系。
莫尔-库仑模型屈服函数为，(1)式中：，c，φ分别为材料的粘聚力和内摩擦角。
j、p和θ分别为偏应力，平均有效应力和洛德角。
f>0，时材料为弹性状态，f=0时，材料进行如塑性阶段，f<0的情况是不存在的。
可以采用不相关联的流动法则，假定塑性势函数与屈服面相似，用ψ代替φ即可，塑性势函数为（2）式中:，ψ为剪胀角。
于是得到隧道围岩的本构矩阵为，（3）如果φ=ψ，式（1）与式（2）相同，是相关联情况；当ψ<φ时，是不相关联情况，随着ψ降低，土体剪胀量也逐渐减少。
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]。
隧道真三维数值模拟
隧道真三维数值模拟摘要：很多学者采用数值模拟的方法分析隧道开挖问题，但往往是用平面模型或者未考虑山体地貌的假三维模型，这往往不符合隧道开挖的实际情况，造成了分析结果与隧道的真实情况有很大的误差。
文章根据山体地貌特征，建立了考虑山体地貌的真三维地质模型，并在此基础上进行了开挖分析，得出了更准确的结果。
Abstract：Many scholars adopt the method of numerical simulation analysis of tunnel excavation problems，but are often using the plane model or fake 3d model of not considering the mountain landscape，which often do not accord with the actual situation of tunnel excavation，the analysis results with the real situation of the tunnel has a lot of errors. According to the mountain landscape characteristics，to establish the true 3d geological model of considering mountain landscape，and to analyze the excavation on the basis of this，the more accurate result is obtained.关键词：隧道；数值模拟；山体；地貌Key words：tunnel；numerical simulation；the mountain；landscape中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）12-0046-020 引言随着我国交通事业的迅速发展，隧道建设也进入了一个新的发展时期。
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14.2.2 浅埋偏压连拱隧道开挖模拟算例
1.工程概况
2.数值模型 3.开挖方法及施工工序 4.数值模拟结果分析 5.结论
1.工程概况
图14-������
6 隧道支护示意图(单位：cm)
2.数值模型
1)计算模型为弹塑性应变，围岩进入塑性的判断采用 Drucker-Prager 屈服准则，支
护体系在线弹性范围内变化。 2)岩体变形是各向同性的。 3)隧道受力变形为平面应变问题。 4)围岩的初始应力场由自重应力构成，不考虑构造应力的影响。
14.3 隧道支护设计的计算优化
14.3.1 优化的概念 14.3.2 结构优化的关键技术 14.3.3 ANSYS优化的基本原理 14.3.4 ANSYS结构优化的基本概念和要求
14.3.5 优化方法的选择
14.3.6 ANSYS结构优化的基本过程 14.3.7 深埋软弱围岩隧道锚杆参数优化算例(传统算法)
第14章 隧道工程数值模拟技术
14.1 ANSYS软件基本内容 14.2 隧道施工过程模拟 14.3 隧道支护设计的计算优化
14.1 ANSYS软件基本内容
14.1.1 ANSYS软件介绍 14.1.2 岩石材料的本构关系 14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
14.1.1 ANSYS软件介绍
ANSYS软件是融结构、热、流体、电场、磁场、 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件， 广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、 汽车交通、国防军工、航天航空、船舶、机械 制造、核工业、石油化工、轻工等一般工业及 科学研究之中。
图14-1 岩石材料应力-应变关系的典型试验曲线 a)砂岩 b)大理岩
14.1.2 岩石材料的本构关系
图14-2 弹塑性岩石材料的 应力-应变关系
图14-3 弹塑性模型
14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
(1)Von Mises屈服准则 Von Mises屈服准则假定：屈服是由最大形状变形能(也称畸
4.数值模拟结果分析
图14-������
8 内侧隧洞先开挖方案——各步骤围岩最小应力(左)和最大应力(右)
4.数值模拟结果分析
图14-9 外侧隧洞先开挖方案——各步骤围岩最小应力(左)和最大应力(右)
4.数值模拟结果分析
图14-10 内侧隧洞先开挖方案与外侧隧洞先开挖方案中墙拉应力分布图
4.数值模拟结果分析
)
5.结论
1)浅埋偏压连拱隧道施作过程中，围岩应力变化比较复杂，从围岩拉应力区、切应力
区及塑性区分布和围岩位移出发，外侧隧洞先开挖方案要优于内侧隧洞先开挖方案。 2)两洞初期支护起着加固围岩、阻止围岩继续变形的作用，所以两方案中初衬的受力 与位移对选择开挖方案有着重要意义。 3)从中墙围岩拉应力区、切应力区及塑性区分布和围岩位移出发，外侧隧洞先开挖方 案要优于内侧隧洞先开挖方案。
图14-5 Drucker-Prager 屈服准则屈服面
14.2 隧道施工过程模拟
14.2.1 施工模拟在ANSYS软件中的实现过程 14.2.2 浅埋偏压连拱隧道开挖模拟算例
14.2.1 施工模拟在ANSYS软件中的实现过程
1.模型的建立
2.边界条件和初始应力场 3.施工过程的模拟 4.锚杆的模拟 5.衬砌之间接触的模拟
3.开挖方法及施工工序
图14-7 数值模型网格划分图
4.数值模拟结果分析
(1)围岩应力场
(2)中墙初期支护应力分析 本工程初期支护包括：管棚注浆+格栅钢拱+3.5m长砂浆 锚杆＋钢筋网+ 25cm 厚的C25 喷射混凝土，管棚注浆和锚杆采取提高围岩参数的办 法来解决，钢筋网及格栅钢拱采取提高喷射混凝土参数的办法来解决。 (3)衬砌结构应力分析 由图14-12、14-13和14-14所示为浅埋偏压连拱隧道由于开挖 顺序的不同，导致衬砌的最终应力分布及大小大不相同。
14.3.8 山区浅埋偏压连拱隧道锚喷支护的优化算例(APDL语言优
化算法)
14.3.1 优化的概念
在工程设计中，使设计效果达到最佳，或使设 计最优化是设计师一直追求的目标。经过长期 的设计实践产生了不同的优化策略和方法。
14.3.2 结构优化的关键技术
(1)优化的数学模型 建立正确合理的优化数学模型是结构优化设计的关键步骤，只
有基于正确的优化数学模型才有可能得到正确的优化结果。 (2)灵敏度控制 灵敏度计算可以采用不同的方法，而采用不同的灵敏度计算方法， 所需要的灵敏度计算时间差别很大的，并且得到的灵敏度精度也不相同。 (3)优化数学算法和优化迭代控制 对于建立的优化数学模型，虽然可用的优化算法 有多种，但是采用不同的优化算法所得到的优化效果和所花费的求解时间会有差别， 所以快速、有效的数学优化算法也是结构优化设计的一项关键技术。 (4)结构分析方法 绝大多数结构优化设计难以用解析法求解，而是采用数值方法求 解。
14.3.3 ANSYS优化的基本原理
•ANSYS引进了三种变量来阐明优化问题，用数 学方式表达如下： •目标函数最小化f=f(x1,x2,…，xn)(14-10) •设计变量满足xi≤xi(i=1～N)(14-11) •状态变量满足(x1,x2,…，xn)≤gj(j=1～ M)(14-12) •式中 N，M——设计变量和状态变量的个数。
14.1.2 岩石材料的本构关系
(1)线弹性模型 线弹性模型描述岩石材料在加载和卸载时，应力-应变呈线性关系。
(2)弹塑性模型 弹塑性模型描述岩石材料在加载过程中，应力-应变先呈线性关系， 当应力达到某一值(屈服应力)时，应力-应变开始呈非线性关系，称为初始屈服。
r-Coulomb屈服准则 (3)Drucker-Prager屈服准则 Drucker-Prager(1952年)提出用内切于莫尔-库仑六棱 角锥体的曲面作为屈服准则，如14-5所示。
14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
图14-������
4 莫尔-库仑强度准则
14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
图14-11 内侧隧洞先开挖方案与外侧隧洞先开挖方案中墙切应力分布图
4.数值模拟结果分析
图14-12 内侧隧洞先开挖方案衬砌及底拱最终应力分布图(
)
4.数值模拟结果分析
图14-13 两方案衬砌及底拱最终切应力分布图 a)内侧隧洞先开挖方案 b)外侧隧洞先开挖方案
4.数值模拟结果分析
图 14-14 外侧隧洞先开挖方案衬砌及底拱最终应力分布图(