第14章-隧道工程数值模拟技术PPT课件
《隧道开挖建模培训》课件
离散元法的优点在于能够模拟 大变形和破裂过程，适用于处 理不连续介质。
缺点在于对于连续介质和较小 变形的问题，离散元法的精度 可能不如有限元法。
边界元法
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边界元法是一种将问题转化为 边界积分方程，通过求解该方 程来得到原问题解的方法。
在隧道开挖建模中，边界元法 常用于分析应力场和位移场的
详细描述
ABAQUS是一款高度模块化、可定制的有限元分析软件，广泛应用于各种工程领 域。它提供了强大的建模和网格划分工具，能够模拟复杂的隧道开挖过程，并可 进行大规模的并行计算。
Midas GTS
总结词
专门针对岩土工程领域的有限元分析软件
详细描述
Midas GTS是一款专门针对岩土工程领域的有限元分析软件，广泛应用于隧道开挖建模。它提供了丰 富的岩土材料模型和本构关系模型，能够模拟隧道开挖过程中的应力场、位移场和渗流场。
边界条件。
边界元法的优点在于对于某些 问题，其计算精度高于有限元 法，且需要的计算机资源较少
。
缺点在于对于复杂的问题，可 能需要大量的计算时间和计算
机资源。
其他隧道开挖建模方法
01
其他隧道开挖建模方法包括混合 法、无网格法和智能模型等。
02
这些方法各有优缺点，适用于不 同的问题和场景，需要根据具体 需求选择合适的方法。
隧道开挖建模面临的挑战与解决方案
01
地质条件的不确定性
由于地质勘查的局限性，隧道开挖面临的地质条件往往具有不确定性。
解决方案包括采用概率方法、模糊逻辑等不确定数学方法进行建模和分
析。
02
岩土力学的复杂性
隧道开挖涉及的岩土力学行为非常复杂，难以准确模拟。解决方案包括
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2021/7/26
什么是隧道？
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1.2隧道工程的发展概况
• 原始时代 即人类的出现到纪元前3000年的新石器 时代，是人类利用隧道来防御自然威胁的穴居时 代。隧道是用兽骨等工具开挖，修筑在可以自身 稳定而无需支撑的地层中。
• 远古时代 从纪元前3000年到5世纪，是为生活和 军事防御目的而利用隧道的时代。这个时代隧道 的开发技术形成了现代隧道开发技术的基础。例 如，古埃及金字塔的建设就开始修建了地下建筑。 纪元前2200年间的古代巴比伦王朝为连结宫殿和 神殿而修建了约1km长的隧道，断面为3.6×4.5m， 施工期间将幼发拉底河水流改道，采用明挖法建 造，该隧道是一种砖砌建筑。
• 14世纪发明了火药，推动了隧道技术发展。1679年用于法国 拉恩开得克运河隧道开挖，获得极大成功，隧道挖掘技术得到 飞速的发展。
• 19世纪的产业革命，隧道开挖出现了各种新方法，迎来了近代 隧道开挖技术的新曙光。1818年布鲁内尔（Brune1）发明了 盾构，意大利物理学家欧拉顿（Erardon）提出以压缩空气平 衡软弱地层涌水压力。防止地层坍塌的方法后，英国的科克伦 （Co-Chrane）利用这个原理发明用压缩空气开挖水底隧道的 方法。
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隧道的特点
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隧道工程的 隐蔽性
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隧道的特点
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隧道工程的 施工环境差
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隧道的特点
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隧道工程的 大量涌水
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隧道 结构 构造
主体构 造物
附属构 造物
洞身 衬砌
洞身衬砌的平、纵、横断面的形状 由道路隧道的几何设计确定
衬砌断面的轴线形状和 厚度由衬砌计算决定
隧道工程讲述课件-PPT
7.2隧道类型与隧道结构
基坑开挖法施工工序：
打桩（护坡桩） 路面开挖 地下结构施工 撤撑回填
埋设支撑防护与开挖 恢复路面
其中边坡支护是确保安全施工的关键技术。
7.2隧道类型与隧道结构
(1)放坡开挖技术 适用于地面开阔和地下地质条件较好的情况。基
坑应自上而下分层、分段依次开挖，随挖随刷边坡， 必要时采用水泥粘土护坡。
7.3 隧道施工
采用沉管法施工的水下段隧道，比用盾构法施工具有较多优点。主要有： ①容易保证隧道施工质量。因管段为预制，混凝土施工质量高，易于做好防水措施
；管段较长，接缝很少，漏水机会大为减少，而且采用水力压接法可以实现接 缝不漏水。 ②工程造价较低。因水下挖土单价比河底下挖土低；管段的整体制作，浮运费用比 制造、运送大量的管片低得多；又因接缝少而使隧道每米单价降低；再因隧道 顶部覆盖层厚度可以很小，隧道长度可缩短很多，工程总价大为降低。 ③在隧道现场的施工期短。因预制管段（包括修筑临时干坞）等大量工作均不在现 场进行。 ④操作条件好、施工安全。因除极少量水下作业外，基本上无地下作业，更不用气 压作业。 ⑤适用水深范围较大。因大多作业在水上操作，水下作业极少，故几乎不受水深限 制，如以潜水作业实用深度范围，则可达70米。 ⑥断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用。大型的矩形断面的管段可容 纳4～8车道，而盾构法施工的圆形断面利用率不高，且只能设双车道。
断面。 我国若干大城市的停车问题已日益尖锐，对有组织的公共停车的需求已十分迫切。
缺点:是对周围环境的影响较大。
4多、重硬功盾岩能隧、构道空间法重叠和、设沉施综管合 法施工的隧道。
穿越波士顿港通向机场的连通道，或独立单建，形成总体形态狭长的旁边设店铺、事务所、停车等设施的地下道路。
隧道工程课件ppt实用资料
作业:
1、隧道位于曲线上的缺点? 2、隧道采用单坡型和人字型坡的优、缺点? 3、隧道内坡度折减的原因。
1、单坡型:用于线路的紧坡地段或是展线的地区。
i下允坡:制动设时计间中下长允,燃许坡油采失用:制效的,发最动生大溜坡时车度事‰间故 长,燃油失效,发生溜车事故
太短:变坡点多而密,列车行驶不平稳
优i限点：⑴水按自照然线水流路向等沟洞级外规难,定不的以影限响制布施最工大置；坡度,沟‰ 槽太深,增加维修工作量
第三节 隧道平、纵断面设计
学习要点：
●了解隧道平面设计和纵断面设计中的要点 ●比较明线限制坡度和隧道内限制坡度，以及理
解隧道坡度折减原因
一、隧道平面设计
㈠隧道位于曲线上的缺点:
1、建筑限界加宽,增大开挖土石方量,增加衬砌圬工量； 2、断面变化,支护和衬砌尺寸不一致,技术复杂； 3、空气阻力加大,抵消部分机车牵引力； 4、通风条件变坏； 5、钢轨磨损增大,养护工作量增加； 6、施工测量困难,精度降低。
2、人字坡型:用于长隧道,尤其是越岭隧道。
优点：⑴水自然流向洞外,不影响施工；
⑵运输效率高。
缺点：通风较困难。
㈡坡度大小:
明线限制坡度: i允= i限- i曲
隧道内限制坡度: i允= mi限- i曲
i允
设计中允许采用的最大坡度‰
i限
按照线路等级规定的限制最大坡度‰
i曲
曲线阻力折算的坡度当量‰
m 隧道内线路的坡度折减系数(与隧道长度有关
㈡平面设计要点:
1、垭口两侧地势开阔,曲线放在洞口外；否则,两端暂开直的照准 导坑,待全隧道的导坑开通后,两端按原设计的曲线调整过来
2、采用较短的曲线(半径较大的曲线),设缓和曲线在洞外一适当 距离外(圆曲线的长度也不应短于一节车厢的长度)
隧道工程课件
隧道工程将不仅仅满足交通、水利等单一功能需求，还将向多功能 化方向发展，如地下综合管廊等。
挑战应对策略探讨
技术创新
加强隧道工程领域的技术研发和创新，提高自主 创新能力，推动隧道工程技术的进步。
人才培养
加强隧道工程专业人才的培养和引进，提高从业 人员的专业素质和技术水平。
政策引导
政府应加大对隧道工程领域的政策支持和引导力 度，推动隧道工程的可持续发展。
在隧道底部和侧壁设置排水沟和 排水管，将地下水引出隧道外。
施工要点
严格控制防水材料质量，确保防 水层施工质量；排水系统施工时
要保证其通畅性和耐久性。
04
隧道工程质量控制与安全管理 措施
质量控制关键环节及要求
施工前准备
对施工图纸进行审查，确保设计 合理；对施工队伍进行资质审核
，确保施工能力符合要求。
隧道工程课件
目录
Contents
• 隧道工程概述 • 隧道工程设计原理 • 隧道工程施工技术与方法 • 隧道工程质量控制与安全管理措施
目录
Contents
• 隧道工程环境保护与可持续发展策 略探讨
• 总结回顾与展望未来发展趋势预测 及挑战应对策略探讨
01 隧道工程概述
隧道定义与分类
隧道定义
隧道是一种人工构造物，通常指在地下或水下修建的通道，用于交通、水利、市 政等目的。
件较差的情况。
隧道支护结构设计
初期支护
初期支护是隧道施工过程中的临时支 护结构，通常采用喷射混凝土、锚杆 、钢拱架等结构形式。
永久支护
支护结构设计原则
支护结构设计应考虑围岩稳定性、施 工安全性、结构耐久性等因素，同时 应进行结构分析和计算，确保支护结 构的可靠性和安全性。
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。
隧道工程教学PPT课件
崩塌等。通风照明、防排水、安全设备等的主要作用是
确保行车安全、舒适。
填空 选择
1.2 隧道工程的发展简介
山岭隧道 施工方法
水底隧道 施工方法 1.2 隧道工程的发展简介
• ？山岭隧道施工方法又包括掘进机法和矿山法（钻爆 法）——传统矿山法、新奥法；浅埋及软土隧道施工方 法又包括明挖法、地下连续墙法、盖挖法、浅埋暗挖法 和盾构法；水底隧道施工方法又包括沉埋法和盾构法等 多种施工方法。
作技术标准和要求，围岩变化的测量监控方法等
等。
•
隧道的围岩，是隧道的主要承载单元，在隧道的 施工过程中应充分保护和维护围岩，避免过度破
坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保
留既有状态，这是隧道施工技术选择时最重要的
基本原则。
简答
1.3 隧道与地下工程施工的特点与原则
• 1. 施工过程中要做好围岩的保护和维护工作
• 2. 制定安全目标
• 每个项目都应制定明确的安全目标，将安全事故的发生率和人员伤 亡率控制在最低限度。为实现这一目标，项目部就要采取行之有效 的措施来保证。
第2章 隧道与地下工程安全管理
2.1 隧道与地下工程施工的特点与原则
• 3. 危险源与不利环境因素的识别、评价和预防
• 在做工程技术准备时应有效进行危险源和不利环境因素的识 别、评价，并制定相应的预防措施。在识别和评价方面应尽 量充分，必须覆盖项目经理部中的各种活动，施工现场内的 所有物料、设施和设备，同时要全面考虑可能发生的各类安 全风险和不利环境影响。所采用的识别和评价方法要合理， 要与项目经理部的实际运行经验和控制能力相适应，具有可 操作性。
• 2. 分类：通常隧道可分为两大类，一类是修建在 岩层中的，称为岩石隧道；一类是修建在土层中 的成为软土隧道。
隧道施工技术幻灯片PPT
2、隧道开挖施工技术
2.1开挖方法 2.1.4环形开挖留核心土法
（5）开挖进度指标与环形开挖留核心土法局限性
2、隧道开挖施工技术 2.1开挖方法 2.1.1全断面法
（3）钻爆设计
石太客专双线隧道Ⅱ级围 岩全断面开挖钻爆设计图
2、隧道开挖施工技术 2.1开挖方法 2.1.1全断面法 （3）钻爆设计
表1：双线隧道Ⅱ级围岩装药参数表
序 号
炮眼分类
炮眼数 (个)
雷管 段数 (段)
炮眼 长度
(cm)
每孔药卷 数(卷)
⑵突出“加强基底”和注重“刚度变化”： ①针对以往隧道底部易发病害和高速列车运行要求，加强了基底设 计，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩均采用有仰拱结构，且仰拱厚度比拱墙衬砌大； ②Ⅱ级围岩可溶岩地段设计有仰拱结构，非可溶岩地段无仰拱。 ③围岩级别不连续变化时，如断层部位为Ⅴ级围岩，其前后则为Ⅱ 级围岩，Ⅱ级围岩有仰拱结构，可用于这些突变部位，以利于基底的刚 度变化。 ⑶二次衬砌部分采用钢筋混凝土结构：Ⅳ、Ⅴ级围岩和Ⅲ级围岩偏 压段二衬均采用钢筋混凝土结构，主要是考虑列车长期振动作用以及围 岩蠕变对二次衬砌受力影响，同时可减少大跨混凝土结构的收缩裂缝。
全断面开挖重点控制爆破质量，尤其是掏槽与光面爆破质量，直 接影响着隧道开挖质量和施工进度。
凿孔宜采用凿岩台车。掏槽眼可采用直眼掏槽或斜眼掏槽。 周边眼应沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合设计要求。 底板和仰拱底面采用预留光爆层爆破，双线隧道Ⅰ、Ⅱ级围岩 段的中心水沟应与隧底光爆层同时爆破成形。 辅助炮眼交错均匀布置在周边眼与掏槽眼之间，力求爆破出的 石块块度适合装碴的需要。 周边眼与辅助炮眼的眼底应在同一垂直面上，掏槽炮眼应加深 10～20cm。 全断面开挖一次起爆药量大，在进行钻爆设计时，应充分考虑 爆破震动的影响，合理控制装药量，防止对围岩造成大的破坏。
隧道施工安全技术培训讲座PPT
2
隧道工程是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。
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新奥法:
应用岩体力学的理论，以维护和利用围岩的自承能力通过采用及时的“锚喷支护”或更进一步的 “喷、锚预支护”等联合支护手段有效抑制围岩的松弛变形，并通过监控量测手段，及信息处理， 调整支护参数，从而使围岩成为支护体系的重要组成部分的一种施工原理。概括地说，新奥法隧道 施工的三要素实质就是“光面爆破、锚喷支护、超前预报与监控量测。
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隧道工程是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路 供机动车辆通行的建筑物。
演讲人：XXX
时间：20XX
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1 隧道施工工程概述
目录 2 隧道施工工艺及方法 3 隧道施工监控量测
4 隧道施工工程安全
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隧道工程是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。
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隧道工程是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。
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开挖班注意安全问题
1、带班人很关键一定把这个班组给带好，不要闷着头只带领干活不管安全质量， 带班人一定召开班前会，班前会很重要，主要讲解安全质量注意事项，还可以 观察人员精神状况发现问题禁止上班避免不必要麻烦，并且一定记录好。 2、首先观察围岩、主要査看围岩变化情况、有没有松动、有没有断层、有没有 水。风水管接头是否牢固。 3、开钻前、放完炮15分钟一定査看有没有预留炸药、雷管、导爆管、导爆索， 导爆索一定排完，已积压就会爆炸，火工品不能提前进洞，进洞运输找专人负 责，不要用装载机运输，运输要分开。 4、查看在台车是否安全，护栏是否牢固，临边是否安全。 5、查看临时用电，线路是否有破口，灯光是否明亮，漏电保护器是否灵敏。
第十四讲隧道工程突水突泥突石灾害分析讲述课件
隧道工程的历史与发展
古代隧道工程
古代隧道工程以山体隧道 为主，主要用于军事和交 通目的，如秦岭栈道等。
近代隧道工程
随着科技的发展，近代隧 道工程逐渐向大跨度、长 距离、深埋方向发展，如 英法海底隧道等。
现代隧道工程
现代隧道工程建设规模更 大，技术更加先进，如中 国高速铁路网中的隧道群等。
02
隧道工程突水突泥突石灾害
灾害成因
主要包括地质构造、地下水运动、施工操作不当、缺乏有效监测和预警机制等因 素。其中，地质构造和地下水运动是灾害发生的主要内因，而施工操作不当和缺 乏有效监测预警则是灾害发生的诱因。
03
隧道工程突水突泥突石灾害分 析
灾害分析方法
数值模拟
利用数值计算方法模拟隧道施工 过程中的水文地质条件、应力场 和渗流场等，预测灾害发生的风
提高勘察设计水平
加强勘察设计阶段的地质勘察工作，提高设 计水平和隧道工程的可靠性。
建立应急救援体系
建立完善的应急救援体系，提高应急救援能 力和水平。
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隧道工程突水突泥突石灾害案 例分析
案例一：某隧道工程突水灾害
总结词
地下水压力大、缺乏有效排水措施
详细描述
某隧道工程施工过程中，遭遇了地下水压力大的地层。由于缺乏有效的排水措施，隧道内部积水无法及时排出， 最终导致了突水灾害的发生。
地质构造影响
断层、破碎带等地质构造容易成为地 下水的通道，引发突水灾害；同时， 这些构造也易导致岩体破碎，引发突 石灾害。
灾害预测与评估
灾害风险评估
根据工程地质勘察资料、数值模 拟结果和现场监测数据，评估隧 道施工可能遭遇的灾害风险等级。
灾害预警系统
建立灾害预警系统，通过实时监 测数据和预测结果，及时发出预 警信号，指导应急处置。