隧道工程第7章隧道工程设计中的有限元方法PPT课件
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有限元在土木工程中的应用
土的渗流计算
➢土坝渗流自由面的计算
在土坝、堤防以及边坡等的渗流分析中，均 存在渗流自由面，即浸润线的问题。通过有 限元计算分析，可以确定渗流自由面的位置， 为后续计算提供依据。
土的渗流计算
➢水库水位升降对土坝渗流的影响分析
水库的蓄水和排水过程是典型的非饱和土渗 流问题，有限元方法可以对水库水位升降过 程中堤坝内孔隙水压力的分布进行分析，为 后续的堤坝稳定验算和渗流量计算提供依据。
关键在于保持总体坐标与ABAQUS默认的系统 坐标相一致：对于平面模型，Y轴为竖直方向； 对于三维模型，Z轴为竖直方向。
隧道超前支护
隧道施工中超前支护一般采用管棚或注浆小导管， 形成一个环状的加固层。
岩ห้องสมุดไป่ตู้开挖分析
隧道开挖与支护
模拟隧道开挖的方法主要有两种：反转应力法与 刚度折减法，反转应力法就是在开挖边界上施加 一“等效释放载荷”，通过等效释放载荷的分级 释放，模拟不同的施工过程。刚度折减法是通过 不断折减被挖对象的刚度来模拟隧道的开挖过程。
力势的影响，当基质势大于重力势，土中水 这些在土木工程的问题的求解过程中都可以得到应用。
桩周围土体用有限元模拟，用无限元模拟无限边界。
将在基质的吸力的作用下上升，产生毛细现 假定忽略土水特征线的滞回效应。
关键在于保持总体坐标与ABAQUS默认的系统坐标相一致：对于平面模型，Y轴为竖直方向； 土体采用弹塑性的莫尔-库伦模型，采用刚度折减法分析边坡稳定性。
桩土共同作用分析
➢单桩承载力特性分析
传统方法大都采用堆载或锚桩提供反力施加 于桩顶测定荷载沉降曲线。目前也推广使用 自平衡法确定桩承载力。
采用有限单元法确定单桩承载力。 假定桩身为线弹性体，桩周及桩底土为弹塑
隧道工程基本内容讲解PPT(共97页)
1.造价较高
一般是普通线路的8～10倍左右 ● 铁路隧道：单线约2～3万元/m，双线约3～4万元/m； ● 公路隧道大约与双线铁路隧道的相当。
●
2.施工期限长
由于修建隧道时场地狭小，工作流程环节较多，施工工序
多，工程量也比路基等大，往往成为一条线路中的关键工程。
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
大于2m2的洞室。（1970年国际经济合作
与发展组织的隧道会议）
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
10.1.2隧道的特点
●是交通运输线路穿越天然障碍的
有效方法
●穿越的地质条件复杂多变，工程
定位、设计、施工方法要随时作相 应调整。
●施工作业面窄，劳力设备受到限
制，工业化、机械化施工要求高
●造价昂贵
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
隧道开发技术发展概况
14世纪 火药的发明用于隧道开挖 1818年 布鲁塞尔发明盾构
1896年 英国人Greothead第一次应用压缩空气
和盾构修建水底隧道
1906年 建成通车的贯穿阿尔卑斯山的新普伦隧道
最先开始应用凿岩机和硝化甘油炸药
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
3.有利于环境保护 既有利于国民经济的可持续发展。当今世界面临 人口爆炸，土地退化，资源短缺，生态变坏，气候反 常，环境恶化，人类赖以生存的地球已不堪重负，各 国都把地下发展当成一种新型国土资源来看待。
4.应用范围广泛
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
10.1.2.2 缺点
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
第10讲
一般是普通线路的8～10倍左右 ● 铁路隧道：单线约2～3万元/m，双线约3～4万元/m； ● 公路隧道大约与双线铁路隧道的相当。
●
2.施工期限长
由于修建隧道时场地狭小，工作流程环节较多，施工工序
多，工程量也比路基等大，往往成为一条线路中的关键工程。
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
大于2m2的洞室。（1970年国际经济合作
与发展组织的隧道会议）
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
10.1.2隧道的特点
●是交通运输线路穿越天然障碍的
有效方法
●穿越的地质条件复杂多变，工程
定位、设计、施工方法要随时作相 应调整。
●施工作业面窄，劳力设备受到限
制，工业化、机械化施工要求高
●造价昂贵
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
隧道开发技术发展概况
14世纪 火药的发明用于隧道开挖 1818年 布鲁塞尔发明盾构
1896年 英国人Greothead第一次应用压缩空气
和盾构修建水底隧道
1906年 建成通车的贯穿阿尔卑斯山的新普伦隧道
最先开始应用凿岩机和硝化甘油炸药
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
3.有利于环境保护 既有利于国民经济的可持续发展。当今世界面临 人口爆炸，土地退化，资源短缺，生态变坏，气候反 常，环境恶化，人类赖以生存的地球已不堪重负，各 国都把地下发展当成一种新型国土资源来看待。
4.应用范围广泛
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
10.1.2.2 缺点
土木工程概论
第10讲 隧道工程(1)
第10讲
《有限元分析及应用》PPT课件
41
2.3 基本变量的指标表达
指标记法的约定：
自由指标：在每项中只有一个下标出现，如
，
i，j为自由指标，它们可以自由变化；在三维ij 问题
中，分别取为1，2，3；在直角坐标系中，可表示
三个坐标轴x, y, z。
哑指标：在每项中有重复下标出现，如：
，j为哑指标。在三维问题中其变化的范ai围j x为j 1,b2i ,3
有限元方法的思路及发展过程
思路：以计算机为工具，分析任意变形体以获得所有 力学信息，并使得该方法能够普及、简单、高效、方 便，一般人员可以使用。 实现办法：
20
技术路线：
21
发展过程： 如何处理
对象的离散化过程
22
常用单元的形状
.点 (质量)
面 (薄壳, 二维实体,
.. 轴..对称实体.).......
3
有限元法是最重要的工程分析技术之一。 它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流 体力学、热传导等领域。有限元法是60年 代以来发展起来的新的数值计算方法，是 计算机时代的产物。虽然有限元的概念早 在40年代就有人提出，但由于当时计算机 尚未出现，它并未受到人们的重视。
4
随着计算机技术的发展，有限元法在各个 工程领域中不断得到深入应用，现已遍及 宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、 海洋等工业，是机械产品动、静、热特性 分析的重要手段。早在70年代初期就有人 给出结论：有限元法在产品结构设计中的 应用，使机电产品设计产生革命性的变化， 理论设计代替了经验类比设计。
由此得到
考虑 X 0
xyl ym zy n Y xl yxm zxn X
考虑
Z 0 xzl yzm zn Z
应力边界条件
隧道工程结构设计中的有限元分析
隧道工程结构设计中的有限元分析//////（安徽理工大学，安徽淮南232001）摘要：有限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法，已经成为解决复杂工程实际问题的重要手段，尽管隧道的洞型和施工工序均较为复杂，应用有限元分析仍不失为一种十分理想的方法。
采用有限元分析软件ANSYS14.5对隧道的受力情况作了静态的受力分析。
通过分析和计算,得出隧道的应力和应变的分布情况,为隧道的结构设计提供了理论依据,同时也展示了有限元分析应用于工程设计应力计算的方法,有一定的工程实用价值。
有限元核心思想是结构离散化，即将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
关键词：隧道；应变分布图；应力分布图；有限元分析The Finite Element Analysis in The Design of Tunnel Structure//////////(Anhui University Of Science & Technology,Anhui Huainan,232001)Abstract:The finite element technique as one of the widely used scientific methods of calculation,has become an important mean of solving the engineering problems.Although the hole type and construction process of the tunnel are more complex than before, the application of the finite element analysis is an ideal method. Using the finite element analysis software ANSYS14.5,the stress state of the tunnel shows itself.Through the analysis and calculation of the tunnel, the stress and strain distribution of the tunnel has been acquired,which provides a theoretical basis for structure design of tunnel.At the same time, the method of applying the finite element analysis,which is used to do the engineering design and calculation of stress, has its practical engineering value.The core idea of the finite element analysis is the discretization of structure,which means that hypothetically the actual structure is discretized into a finite number of rules of unit combination and can be based on the discrete analysis on the physical properties of the actual structure.Through that we can acquire the result of approximation precision engineering to substitute actual structure analysis.It can solve a lot of practical engineering complex problems which the theoretical analysis is unable to solve .Key words: Tunnel Project;Strain distribution;Stress distribution;The finite element analysis一、国内外研究现状国际早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。
有限元法在隧道中的应用
有限元在隧道分析中的应用
• 限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法 已经 限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法,已经 成为解决复杂工程实际问题的重要手段。 成为解决复杂工程实际问题的重要手段。尽管隧 道的洞型和施工工序均较为复杂,应用有限元计算 道的洞型和施工工序均较为复杂 应用有限元计算 分析仍不失为一种十分理想的方法。 分析仍不失为一种十分理想的方法。科学可视化 是利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换 是利用计算机图形学和图像处理技术 将数据转换 成图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理 成图形或图像在屏幕上显示出来 并进行交互处理 的技术。在有限元分析的前后处理中,采用可视化 的技术。在有限元分析的前后处理中 采用可视化 技术将数据用形象化的图象表示,可在短时间内传 技术将数据用形象化的图象表示 可在短时间内传 递大量信息,大大基于两大关键技术 大大基于两大关键技术:其一是隧道 递大量信息 大大基于两大关键技术 其一是隧道 有限元分析,其二是可视化技术 其二是可视化技术。 有限元分析 其二是可视化技术。
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8
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6
有限元模拟分步法开挖全过程
◆◆ ◆◆
1
前处理 @建立有限元模型（节点坐标， 单元内容，节点 次序） @定义材料属 运用有限元分析软件分析隧道的处理过程 性
求解：@施加荷载@定义位移约束条件@求 解
3 后处理（静应结构分析，屈曲分析及模态 分析，求得部分结果如：变形，应力，内力）
1 能够分析形状复杂的结构。 能够分析形状复杂的结构。 2能够处理复杂的边界条件。 能够处理复杂的边界条件。 能够处理复杂的边界条件 3能够保证规定的工程精度。 能够保证规定的工程精度。 能够保证规定的工程精度 4能够处理不同类型的材料。 能够处理不同类型的材料。 能够处理不同类型的材料
• 限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法 已经 限元技术作为一种应用广泛的科学计算方法,已经 成为解决复杂工程实际问题的重要手段。 成为解决复杂工程实际问题的重要手段。尽管隧 道的洞型和施工工序均较为复杂,应用有限元计算 道的洞型和施工工序均较为复杂 应用有限元计算 分析仍不失为一种十分理想的方法。 分析仍不失为一种十分理想的方法。科学可视化 是利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换 是利用计算机图形学和图像处理技术 将数据转换 成图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理 成图形或图像在屏幕上显示出来 并进行交互处理 的技术。在有限元分析的前后处理中,采用可视化 的技术。在有限元分析的前后处理中 采用可视化 技术将数据用形象化的图象表示,可在短时间内传 技术将数据用形象化的图象表示 可在短时间内传 递大量信息,大大基于两大关键技术 大大基于两大关键技术:其一是隧道 递大量信息 大大基于两大关键技术 其一是隧道 有限元分析,其二是可视化技术 其二是可视化技术。 有限元分析 其二是可视化技术。
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有限元模拟分步法开挖全过程
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前处理 @建立有限元模型（节点坐标， 单元内容，节点 次序） @定义材料属 运用有限元分析软件分析隧道的处理过程 性
求解：@施加荷载@定义位移约束条件@求 解
3 后处理（静应结构分析，屈曲分析及模态 分析，求得部分结果如：变形，应力，内力）
1 能够分析形状复杂的结构。 能够分析形状复杂的结构。 2能够处理复杂的边界条件。 能够处理复杂的边界条件。 能够处理复杂的边界条件 3能够保证规定的工程精度。 能够保证规定的工程精度。 能够保证规定的工程精度 4能够处理不同类型的材料。 能够处理不同类型的材料。 能够处理不同类型的材料
隧道工程BIM技术实施方案ppt培训课件
人机模拟
人机模拟：： 优化平台设计， 确保操作空间 满足拼装要求， 确定合理的高 空作业排班作 业时间，减少 高空作业风险。
虚拟现实
为所有3D体验平台上的CATIA用户提 供沉浸式可视化体验，包括HMD、立 体化渲染及位置追踪等。
通过与虚拟现实硬件设备的连接，实现 了在虚拟环境中人机交互应用，让相关 人员能够在项目竣工前提前对项目有了 深入体验。
6，防排水模型
隧道快速建模
BIM人员
关键词： 1，解决方案总 概况 2，快速建模
1，洞门模型 2，明洞模型 3，暗洞模型 4，附属洞室模型 5，辅助坑道模型
6，防排水模型
隧道快速建模
BIM人员
关键词： 1，解决方案总 概况 2，快速建模
1，洞门模型 2，明洞模型 3，暗洞模型 4，附属洞室模型 5，辅助坑道模型
成果提交
模型完善 加工图 节点图纸 图纸组成 竣工模型
项目实施规划
项目启动
规划
设计
施工
运营维护
三维 设计
有限元 分析
二维 出图
数字 交付
地质
土建 结构
岩土有限元分析
隧道设计图纸
设计文件
机电 设备
施工 方案
结构有限元分析
专业 图纸
施工 组织
三维隧道
运营 管理
动态 监测 维修 养护
用户手册
CATIA
ANSYS
目录
CONTEபைடு நூலகம்TS
1
达索3D体验平台
2
隧道BIM模型搭建
3
BIM技术施工过程应用
4
协同与项目管理
地形建模
• CATIA Terrain Modeling
隧道施工工艺及技术方法课件
主要适用于地下水较少的破碎、软弱围岩，如裂隙发育的岩 体、断层破碎带、浅埋无显著偏压的隧道。 ➢ 锚固剂或砂浆锚固，工艺简单，造价低，应用十分广泛。 ➢ 在砂土质松软地层中，砂浆与土体粘结力较低，限制其应用； ➢ 因为一次施作距离短，预支护刚度小，在地应力较大、地层 位移控制严时，也限制了它的使用。
套拱施作完成
隧道施工工艺及技术方法
管棚施工（预留核心土）
7.1.3 超前注浆小导管 超前注浆小导管是在开挖前，沿隧道周边，向前方围岩钻孔
并安装带孔小导管，或直接打入带孔小导管，并通过小导管向 围岩压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就 形成了有一定厚度的加固圈，即可安全地进行开挖等作业。超 前小导管实际上是超前锚杆的发展。
超前锚杆是指沿开挖轮廓线，以一定的外插角，向开挖面 前方钻孔安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的 围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业。
超前锚杆设置方式
隧道施工工艺及技术方法
隧道施工工艺及技术方法
超前锚杆性能特点及适用条件 锚杆超前支护的特点：柔性较大，整体刚度较小。隧道开挖
后，杆体及周边固结的部分围岩支承上覆岩土体，防止围岩坍 塌，减少洞室变形。
7.1 围岩预支护（预加固）
软弱破碎围岩中，即使采取短进尺开挖，开挖面和开完后的 坑道也可能不稳定，尤其在地下水丰富时更为严重。对于不稳定 的围岩体系，掌子面前方围岩的预加固和预支护是控制和减少坑 道开挖后周边收敛变形、防止坍塌的关键环节。
掌子面：即开挖坑道（采 煤、采矿或隧道工程中）不断 向前推进的工作面。
隧道工程 第7章 隧道施工工艺及技术方法
2017年4月14日
隧道施工工艺及技术方法
第一节 围岩预支护（预加固） 第二节 隧道爆破施工技术 第三节 装渣与运输（自学） 第四节 初期支护 第五节 监控量测与数据分析 第六节 防排水施工工艺（自学） 第七节 二次衬砌（自学） 第八节 辅助坑道（自学）
套拱施作完成
隧道施工工艺及技术方法
管棚施工（预留核心土）
7.1.3 超前注浆小导管 超前注浆小导管是在开挖前，沿隧道周边，向前方围岩钻孔
并安装带孔小导管，或直接打入带孔小导管，并通过小导管向 围岩压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就 形成了有一定厚度的加固圈，即可安全地进行开挖等作业。超 前小导管实际上是超前锚杆的发展。
超前锚杆是指沿开挖轮廓线，以一定的外插角，向开挖面 前方钻孔安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的 围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业。
超前锚杆设置方式
隧道施工工艺及技术方法
隧道施工工艺及技术方法
超前锚杆性能特点及适用条件 锚杆超前支护的特点：柔性较大，整体刚度较小。隧道开挖
后，杆体及周边固结的部分围岩支承上覆岩土体，防止围岩坍 塌，减少洞室变形。
7.1 围岩预支护（预加固）
软弱破碎围岩中，即使采取短进尺开挖，开挖面和开完后的 坑道也可能不稳定，尤其在地下水丰富时更为严重。对于不稳定 的围岩体系，掌子面前方围岩的预加固和预支护是控制和减少坑 道开挖后周边收敛变形、防止坍塌的关键环节。
掌子面：即开挖坑道（采 煤、采矿或隧道工程中）不断 向前推进的工作面。
隧道工程 第7章 隧道施工工艺及技术方法
2017年4月14日
隧道施工工艺及技术方法
第一节 围岩预支护（预加固） 第二节 隧道爆破施工技术 第三节 装渣与运输（自学） 第四节 初期支护 第五节 监控量测与数据分析 第六节 防排水施工工艺（自学） 第七节 二次衬砌（自学） 第八节 辅助坑道（自学）
第七章 隧道施工方法图文精品PPT课件
2.2 台阶法
1. 特点 ●将断面从上至下分成2个或3个台阶开挖； ●随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地
层，因而是在现场使用的主导方法。 2.种类
长台阶法 短台阶法 超短台阶法
第二节 新奥法施工方法
3. 选择台阶长度的条件 (1) 初期支护闭合环的时间要求
围岩越差，闭合时间要求越短，台阶必须缩短。 (2) 施工机械的效率
仅选择传统矿山法中具有代表性的上下导坑法 予以介绍，以资与新奥法施工对照。
第三节 传统矿山法 上下导坑先拱后墙法
第三节 传统矿山法
优点： ① 有拱圈保护，安全；
② 有两个导坑，有利于通风、排水与运输。 缺点： ① 两个导坑增加了造价； ② 边墙须开挖马口，进度慢。
适应于：Ⅴ、Ⅳ级围岩。
第二节 新奥法施工方法
第二节 新奥法施工方法
第二节 新奥法施工方法
2.单侧壁导坑法
特点： ① 洞室开挖跨度减小，有利于围岩稳定； ② 导坑要闭合，增加了材料用量； ③ 进度慢。
适用于：断面跨度大，对地表沉陷有控制要求的软弱。
第二节 新奥法施工方法
第二节 新奥法施工方法
3.双侧壁导坑法(眼镜工法) 特点： ①双导坑，使洞室最大开挖跨度更小，稳定性增加； ②耗材增加； ③进度慢。 适用于：对地表沉陷要求更高，或跨度更大的隧道。
第一节 概 述
1.2 隧道施工方法及其选择
1. 隧道施工主要方法 （1）矿山法 传统矿山法 新奥法 （2）明挖法 （3）掘进机法TBM （4）盾构法 （5）沉管法 （6）顶管法 本章介绍：矿山法 、明挖法
第一节 概 述
1.2 隧道施工方法及其选择
2.影响施工方法的主要因素 ⑴ 工程的重要性 ⑵ 工程地质与水文地质条件 ⑶ 施工技术水平、机械设备情况 ⑷ 施工中动力和原材料供应情况 ⑸ 工程投资与运营后的社会效益和经济效益 ⑹ 对环境的保护要求 ⑺ 施工单位的习惯做法
1. 特点 ●将断面从上至下分成2个或3个台阶开挖； ●随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地
层，因而是在现场使用的主导方法。 2.种类
长台阶法 短台阶法 超短台阶法
第二节 新奥法施工方法
3. 选择台阶长度的条件 (1) 初期支护闭合环的时间要求
围岩越差，闭合时间要求越短，台阶必须缩短。 (2) 施工机械的效率
仅选择传统矿山法中具有代表性的上下导坑法 予以介绍，以资与新奥法施工对照。
第三节 传统矿山法 上下导坑先拱后墙法
第三节 传统矿山法
优点： ① 有拱圈保护，安全；
② 有两个导坑，有利于通风、排水与运输。 缺点： ① 两个导坑增加了造价； ② 边墙须开挖马口，进度慢。
适应于：Ⅴ、Ⅳ级围岩。
第二节 新奥法施工方法
第二节 新奥法施工方法
第二节 新奥法施工方法
2.单侧壁导坑法
特点： ① 洞室开挖跨度减小，有利于围岩稳定； ② 导坑要闭合，增加了材料用量； ③ 进度慢。
适用于：断面跨度大，对地表沉陷有控制要求的软弱。
第二节 新奥法施工方法
第二节 新奥法施工方法
3.双侧壁导坑法(眼镜工法) 特点： ①双导坑，使洞室最大开挖跨度更小，稳定性增加； ②耗材增加； ③进度慢。 适用于：对地表沉陷要求更高，或跨度更大的隧道。
第一节 概 述
1.2 隧道施工方法及其选择
1. 隧道施工主要方法 （1）矿山法 传统矿山法 新奥法 （2）明挖法 （3）掘进机法TBM （4）盾构法 （5）沉管法 （6）顶管法 本章介绍：矿山法 、明挖法
第一节 概 述
1.2 隧道施工方法及其选择
2.影响施工方法的主要因素 ⑴ 工程的重要性 ⑵ 工程地质与水文地质条件 ⑶ 施工技术水平、机械设备情况 ⑷ 施工中动力和原材料供应情况 ⑸ 工程投资与运营后的社会效益和经济效益 ⑹ 对环境的保护要求 ⑺ 施工单位的习惯做法
隧道结构设计隧道工程结构构造设计课件PPT(共43页)
※ 设计方法：目前以工程类比为主，理论验算为辅。结合施 工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计；
※ Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。
※ 仰拱的重要性
① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调 整衬砌应力的作用；
② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形 变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
偏压衬砌示意图
6、喇叭口隧道衬砌
在山区双线隧道， 可将一条双幅公路隧道 分建为二个单线隧道或 二条单线并建为一条双 幅的情况，衬砌产生了 一个过渡区段，这部分 隧道衬砌的断面及线间 距均有变化，相应成了 一个喇叭型，称为喇叭 口隧道衬砌。
嗽叭口隧道衬砌示意图
二、支护结构
初期支护 (一次支护)
支护 结构 永久支护(二
※ 采用就地整体模注现浇砼，适用较广，截面可以是等截面或 是变截面。
※ IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用 曲墙带仰拱的衬砌。
设置 作用 仰拱
使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗侧 压力的能力
抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态
※ 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在， 衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设置伸 缩缝
※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好；
※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍 大的空间（20cm）；
※ 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中 锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；
※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车 中视觉感观，应根据需要考虑内装。
③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
※ Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。
※ 仰拱的重要性
① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调 整衬砌应力的作用；
② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形 变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
偏压衬砌示意图
6、喇叭口隧道衬砌
在山区双线隧道， 可将一条双幅公路隧道 分建为二个单线隧道或 二条单线并建为一条双 幅的情况，衬砌产生了 一个过渡区段，这部分 隧道衬砌的断面及线间 距均有变化，相应成了 一个喇叭型，称为喇叭 口隧道衬砌。
嗽叭口隧道衬砌示意图
二、支护结构
初期支护 (一次支护)
支护 结构 永久支护(二
※ 采用就地整体模注现浇砼，适用较广，截面可以是等截面或 是变截面。
※ IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用 曲墙带仰拱的衬砌。
设置 作用 仰拱
使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗侧 压力的能力
抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态
※ 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在， 衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设置伸 缩缝
※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好；
※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍 大的空间（20cm）；
※ 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中 锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；
※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车 中视觉感观，应根据需要考虑内装。
③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
隧道工程第7章隧道工程设计中的有限元方法PPT课件
非线性方程组求解方法：直接迭代、切线刚度…
22
7.3.2 非线性问题的求解方法 非线性方程组求解方法：直接迭代、切线刚度…
x
x3 2x 100
2，1.99999，2.00001
23
7.3.3 岩土材料的弹塑性本构关系
岩土材料本构关系包括四个组成部分 （1）屈服条件和破坏条件 （2）硬化定律 （3）流动法则 （4）加载和卸载准则
4
7.1 概述
7.1.1 数值分析方法简介
1.隧道工程问题解析解求解困难。 2.数值分析方法是一种相对于弹性力学精确解
析解的近似解求解方法。 3.数值分析方法包含有限元法、有限差分法、
边界元法等。 4.有限元法是将弹性理论、计算数学和计算机
软件有机结合。
5
7.1 概述
有限元分析是利用数学近似方法对真 实物理系统（几何和载荷工况）进行 模拟。还利用简单而又相互作用的元 素，即单元，用有限数量的未知量去 逼近无限未知量的真实系统。
29
7.3.4 隧道围岩弹塑性有限元分析方法与步骤 2. 施工阶段
A. 开挖前（初始应力） B. 上台阶开挖，初衬 C. 中台阶开挖，初衬 D. 下台阶开挖，初衬 E. 二衬 F. 仰拱
30
7.4 工程实例分析
实例一：分阶段开挖和衬砌的弹塑性分析
1. 施工过程分析 2. 网格划分 3. 参数选择、力学模型选择 4. 计算 5. 结果汇总、整理、分析 6. 结论
d4
d3
b4 b3
d2
d1
上台阶
b2
b1
中台阶
下台阶
Z=0 Z=-128
Z=-22 Z=-150
d4 b4
顶板位移，S/mm
0 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60
22
7.3.2 非线性问题的求解方法 非线性方程组求解方法：直接迭代、切线刚度…
x
x3 2x 100
2，1.99999，2.00001
23
7.3.3 岩土材料的弹塑性本构关系
岩土材料本构关系包括四个组成部分 （1）屈服条件和破坏条件 （2）硬化定律 （3）流动法则 （4）加载和卸载准则
4
7.1 概述
7.1.1 数值分析方法简介
1.隧道工程问题解析解求解困难。 2.数值分析方法是一种相对于弹性力学精确解
析解的近似解求解方法。 3.数值分析方法包含有限元法、有限差分法、
边界元法等。 4.有限元法是将弹性理论、计算数学和计算机
软件有机结合。
5
7.1 概述
有限元分析是利用数学近似方法对真 实物理系统（几何和载荷工况）进行 模拟。还利用简单而又相互作用的元 素，即单元，用有限数量的未知量去 逼近无限未知量的真实系统。
29
7.3.4 隧道围岩弹塑性有限元分析方法与步骤 2. 施工阶段
A. 开挖前（初始应力） B. 上台阶开挖，初衬 C. 中台阶开挖，初衬 D. 下台阶开挖，初衬 E. 二衬 F. 仰拱
30
7.4 工程实例分析
实例一：分阶段开挖和衬砌的弹塑性分析
1. 施工过程分析 2. 网格划分 3. 参数选择、力学模型选择 4. 计算 5. 结果汇总、整理、分析 6. 结论
d4
d3
b4 b3
d2
d1
上台阶
b2
b1
中台阶
下台阶
Z=0 Z=-128
Z=-22 Z=-150
d4 b4
顶板位移，S/mm
0 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60
隧道工程 第3版 第7章 隧道工程设计中的有限元方法
1．几种常用的屈服准则
目 前 常 用 于 岩 土 材 料 的 屈 服 准 则 有 ： 摩 尔 - 库 仑 (MohrCoulomb)屈服准则，德鲁克-普拉格(Drucke-Prager)屈服准则， 辛克维奇-潘迪(Zienkiewicz-Pande)屈服准则等。
(1) 摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则
隧 道
增量分量之间的关系。米赛斯（Von.Mises）流动法则假设塑
工 性应变增量可从塑性势导出，即
程
d p
Q
当Q≡F时，这种特殊情况为关联塑性；否则称为非关联 塑性。对于关联塑性情况，
SUI DAO GONG CHENG
d p
F
(7-31)
4．加载、卸载准则
隧
道
工
程
若 F 0, F d 0 ,继续塑性加载。
隧 道 工
7 『第七章 ▎隧道工程设计
中的有限元法
程
『 7.1 ▎概述
『 7.2 ▎有限元法基础
SUI DAO GONG CHENG
『 7.3 ▎隧道围岩弹塑性 有限元分析
『 7.4 ▎工程实例分析
『 7.1 ▎概述
隧
道 工
岩土介质作为隧道工程的对象包含着多种随机因素(例如：
程
非均匀性和各向异性，地质构造和结构面，应力-应变的非线性
SUI DAO GONG CHENG
但该准则不能反映中间主应力对屈服和破坏的影响及单纯 的静水压力可以引起岩土屈服的特性，而且屈服曲面有棱角， 不便于塑性应变增量的计算，这就给数值计算带来了困难。
(2)德鲁克-普拉格(Drucke-Prager)屈服准则 考虑到静水
隧 压力可以引起岩土材料的屈服，德鲁克-普拉格屈服准则为
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第3步：整体分析 （1）单元贡献矩阵：一个单元 （2）整体刚度矩阵集成：多个单元 第4步：荷载移置 将不在节点上的外荷载按虚功等效原则将
荷载移到节点上。
19
7.2.2 平面问题的有限元分析
第5步：引入支承或边界条件 第6步：解方程组求出节点位移 第7步：求出单元应变与应力 7.2.3 较精密的平面单元
6
有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
真实物理系统
有限元模型 7
节点和单元，有限元模型
载荷
节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。
单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、 面或实体以及二维或三维的单元等种类。
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之
20
7.3 隧道弹塑性有限元分析 隧道岩土和结构材料具有弹塑性性质
材料应力与应变关系非线性特征明显
关键建立岩土材料的弹塑性本构关系 求解非线性方程组
K P 0
21
7.3.2 非线性问题的求解方法
K P 0
1.线性问题 ：K中元素为常量 2.非线性问题：K中元素为变量 （1）材料非线性 （2）几何非线性
1. 受力连续体“离散化”，仅节点联系，节点传力； 2. 单元外力转化为等效节点力
3. 建立节点力的平衡方程式
4. 加入位移边界条件求解方程组 5. 得到全部未知位移后，进而求得的单元应变与应力
16
7.2.2 平面问题的有限元分析 以弹性力学平面问题有限元分析为例，介绍有
限元基本思想、原理和分析步骤。 核心是建立节点平衡方程组
24
1. 几种常用的屈服准则
（1）摩尔-库仑屈服准则
固体内任一点发生剪 切破坏时，破坏面上 的 剪 应 力 (τ) 应 等 于 或 大于材料本身的抗切 强 度 (C) 和 作 用 于 该 面 上由法向应力引起的 摩擦阻力(σtgφ)之和。
❖ ANSYS12.0， 能同时进行结构、热、流体、电磁、声学高级多
物理场耦合分析，多场耦合分析技术在现今世界首届一指。
12
13
7.1.3 有限元法软件简介-FLAC-岩土工程专用
FLAC3D简介：FLAC3D由美国Itasca公司开发的。二维 计算程序V3.0以前为DOS版本，V2.5版本仅能够使用 计算机的基本内存（64K），程序求解的最大结点数 仅限于2000个以内。1995年，FLAC2D已升级为V3.3的
载荷
间通过节点连接，并承受一定载荷。
8
单元、边界、几何模型
单元 节点
真实物理系统 边界条件
有限元模型
9
7.1 概述
7.1.2 有限元的发展概况（P221） 7.1.3 有限元法软件简介 1. 大型通用软件：ANSYS，MARC 2. 专用软件：FLAC，MADAS 3. 自编软件：
10
11
7.1.3 有限元法软件简介-ANSYS
❖ 美国ANSYS公司成立于1970年，创始人是John Swanson博士， 总部位于美国宾西法尼亚州匹兹堡。
❖ ANSYS是—个通用有限元仿真分析软件，早期只提供热分析和 线性结构分析功能，只能运行在大型计算机上。
❖ 20世纪70年代后，增加非线性计算功能。随PC机和交互OS的 出现，ANSYS建立了交互式菜单环境，程序除求解器，同时提 供前后处理器。
版 本 ， 程 序 能 够 使 用 扩 展 内 存 。 FLAC3D 是 一 个 三 维 有 限差分程序，目前已发展到V4.0版本。 FLAC3D是能够进
行土 质、岩石和其它材料三维结构受力特性模拟和塑性流动
分析。 能进行大变形分析。
14
15
7.2 有限元基础 7.2.1 有限元分析步骤（原理上）
第1步：结构离散 （网格划分）
17
7.2.2 平面问题的有限元分析 第2步：单元分析（P223）-荷载与位移关系 （1）节点位移与节点力的表示形式。 （2）节点位移与单元任一点位移关系。 （3）节点位移与应变关系。 （4）节点位移与应力关系。 （5）节点位移与节点力的关系。
18
7.2.2 平面问题的有限元分析
有限元核心思想是结构离散化，即将实际结
构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结 构物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工 程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可 以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决 的复杂问题。
3
思考题
1.什么是有限元分析？ 2.简述有限元的分析步骤？ 3.岩土材料本构关系包含哪四个部分？ 4.隧道中最常用有限元分析软件有哪些？
非线性方程组求解方法：直接迭代、切线刚度…
22
7.3.2 非线性问题的求解方法 非线性方程组求解方法：直接迭代、切线刚度…
x
x3 2x 100
2，1.99999，2.00001
23
7.3.3 岩土材料的弹塑性本构关系
岩土材料本构关系包括四个组成部分 （1）屈服条件和破坏条件 （2）硬化定律 （3）流动法则 （4）加载和卸载准则
《隧道工程》 第7章 隧道工程设计中的有限元方法
1
主要内容
7.1 有限元是什么？ 7.2 有限元法用到哪些基础知识？ 7.3 隧道围岩弹塑性有限元分析？如何用 7.4 实战解析（新大瑶山隧道）
2
前言
1965年“有限元”名词首次出现，到今天在工程上广 泛应用，经历40多年发展史，理论和算法都日趋完善。
7.1 概述
❖ 国际早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量人力 和物力开发有强大功能的有限元分析程序。最为著名 的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计 算科学公司和贝尔航空公司开发的NASTRAN有限元分 析系统。该系统发展至今已有几十个版本，如MARC, 是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。 此外，还有美国的ANSYS，ABAQUS、ADINA等公司产品。
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7.1 概述
7.1.1 数值分析方法简介
1.隧道工程问题解析解求解困难。 2.数值分析方法是一种相对于弹性力学精确解
析解的近似解求解方法。 3.数值分析方法包含有限元法、有限差分法、
边界元法等。 4.有限元法是将弹性理论、计算数学和计算机
软件有机结合。
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7.1 概述
有限元分析是利用数学近似方法对真 实物理系统（几何和载荷工况）进行 模拟。还利用简单而相互作用的元 素，即单元，用有限数量的未知量去 逼近无限未知量的真实系统。
荷载移到节点上。
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7.2.2 平面问题的有限元分析
第5步：引入支承或边界条件 第6步：解方程组求出节点位移 第7步：求出单元应变与应力 7.2.3 较精密的平面单元
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有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
真实物理系统
有限元模型 7
节点和单元，有限元模型
载荷
节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。
单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、 面或实体以及二维或三维的单元等种类。
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之
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7.3 隧道弹塑性有限元分析 隧道岩土和结构材料具有弹塑性性质
材料应力与应变关系非线性特征明显
关键建立岩土材料的弹塑性本构关系 求解非线性方程组
K P 0
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7.3.2 非线性问题的求解方法
K P 0
1.线性问题 ：K中元素为常量 2.非线性问题：K中元素为变量 （1）材料非线性 （2）几何非线性
1. 受力连续体“离散化”，仅节点联系，节点传力； 2. 单元外力转化为等效节点力
3. 建立节点力的平衡方程式
4. 加入位移边界条件求解方程组 5. 得到全部未知位移后，进而求得的单元应变与应力
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7.2.2 平面问题的有限元分析 以弹性力学平面问题有限元分析为例，介绍有
限元基本思想、原理和分析步骤。 核心是建立节点平衡方程组
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1. 几种常用的屈服准则
（1）摩尔-库仑屈服准则
固体内任一点发生剪 切破坏时，破坏面上 的 剪 应 力 (τ) 应 等 于 或 大于材料本身的抗切 强 度 (C) 和 作 用 于 该 面 上由法向应力引起的 摩擦阻力(σtgφ)之和。
❖ ANSYS12.0， 能同时进行结构、热、流体、电磁、声学高级多
物理场耦合分析，多场耦合分析技术在现今世界首届一指。
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7.1.3 有限元法软件简介-FLAC-岩土工程专用
FLAC3D简介：FLAC3D由美国Itasca公司开发的。二维 计算程序V3.0以前为DOS版本，V2.5版本仅能够使用 计算机的基本内存（64K），程序求解的最大结点数 仅限于2000个以内。1995年，FLAC2D已升级为V3.3的
载荷
间通过节点连接，并承受一定载荷。
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单元、边界、几何模型
单元 节点
真实物理系统 边界条件
有限元模型
9
7.1 概述
7.1.2 有限元的发展概况（P221） 7.1.3 有限元法软件简介 1. 大型通用软件：ANSYS，MARC 2. 专用软件：FLAC，MADAS 3. 自编软件：
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7.1.3 有限元法软件简介-ANSYS
❖ 美国ANSYS公司成立于1970年，创始人是John Swanson博士， 总部位于美国宾西法尼亚州匹兹堡。
❖ ANSYS是—个通用有限元仿真分析软件，早期只提供热分析和 线性结构分析功能，只能运行在大型计算机上。
❖ 20世纪70年代后，增加非线性计算功能。随PC机和交互OS的 出现，ANSYS建立了交互式菜单环境，程序除求解器，同时提 供前后处理器。
版 本 ， 程 序 能 够 使 用 扩 展 内 存 。 FLAC3D 是 一 个 三 维 有 限差分程序，目前已发展到V4.0版本。 FLAC3D是能够进
行土 质、岩石和其它材料三维结构受力特性模拟和塑性流动
分析。 能进行大变形分析。
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7.2 有限元基础 7.2.1 有限元分析步骤（原理上）
第1步：结构离散 （网格划分）
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7.2.2 平面问题的有限元分析 第2步：单元分析（P223）-荷载与位移关系 （1）节点位移与节点力的表示形式。 （2）节点位移与单元任一点位移关系。 （3）节点位移与应变关系。 （4）节点位移与应力关系。 （5）节点位移与节点力的关系。
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7.2.2 平面问题的有限元分析
有限元核心思想是结构离散化，即将实际结
构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结 构物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工 程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可 以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决 的复杂问题。
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思考题
1.什么是有限元分析？ 2.简述有限元的分析步骤？ 3.岩土材料本构关系包含哪四个部分？ 4.隧道中最常用有限元分析软件有哪些？
非线性方程组求解方法：直接迭代、切线刚度…
22
7.3.2 非线性问题的求解方法 非线性方程组求解方法：直接迭代、切线刚度…
x
x3 2x 100
2，1.99999，2.00001
23
7.3.3 岩土材料的弹塑性本构关系
岩土材料本构关系包括四个组成部分 （1）屈服条件和破坏条件 （2）硬化定律 （3）流动法则 （4）加载和卸载准则
《隧道工程》 第7章 隧道工程设计中的有限元方法
1
主要内容
7.1 有限元是什么？ 7.2 有限元法用到哪些基础知识？ 7.3 隧道围岩弹塑性有限元分析？如何用 7.4 实战解析（新大瑶山隧道）
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前言
1965年“有限元”名词首次出现，到今天在工程上广 泛应用，经历40多年发展史，理论和算法都日趋完善。
7.1 概述
❖ 国际早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量人力 和物力开发有强大功能的有限元分析程序。最为著名 的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计 算科学公司和贝尔航空公司开发的NASTRAN有限元分 析系统。该系统发展至今已有几十个版本，如MARC, 是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。 此外，还有美国的ANSYS，ABAQUS、ADINA等公司产品。
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7.1 概述
7.1.1 数值分析方法简介
1.隧道工程问题解析解求解困难。 2.数值分析方法是一种相对于弹性力学精确解
析解的近似解求解方法。 3.数值分析方法包含有限元法、有限差分法、
边界元法等。 4.有限元法是将弹性理论、计算数学和计算机
软件有机结合。
5
7.1 概述
有限元分析是利用数学近似方法对真 实物理系统（几何和载荷工况）进行 模拟。还利用简单而相互作用的元 素，即单元，用有限数量的未知量去 逼近无限未知量的真实系统。