ANSYS在某隧道围岩参数反演分析中的应用
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对较 晚 ， 故左洞 断面先行 开挖支护 。开挖 的每一施工 步所对 应 的有 限元计算模型如 图 ４ 一图 ７ 。
图 ２ 隧道 内轮廓 图
・
５ ・
第３ 期（ 总第 １ ５ ５期 ）
翘
表 ３ 左上 台阶开挖反演参数表
试 验 研 究 ■
Ｏ ｐ ｔ ＞ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｓ ｅ ｔ ｓ ＞ Ｌ ｉ ｓ ｔ ， 查看结果信息 ， 整理如表 ３
对围岩起到加 固作用 ， 不再对锚杆单独讨论 。由于建 模的局
限性 ， 假定 的因素在一定程度上影 响了反演参数 的准确性。
隧道 的围岩属 于Ⅳ级 围岩 ， 隧道 开挖采用 钻爆法 ， 由于
隧道断面较大 ， 开挖 采取上下 台阶开挖方案 。实 际开挖过程 为： ①左洞上半 断面开挖一② 左洞下半断面开挖一③ 右洞上 半 断面开挖—④右洞下半断面开挖。由于右洞 的进洞时间相
输人材料参 数以及建立几何模型时要注意单位 的统一 ，
如以Ｐ ａ为单位输入弹性模量时 ，则几何模型就要 以 ｉ ｎ为单 位输入 ， 此 时求 出的结果力 的单 位为 Ｎ， 应力 的单位为 Ｐ ａ ， 位 移 的单位为 ｎ ｌ 。在 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ中的操作先后顺序 ， 介绍如下 ：
（ １ ） 建立模 型并约束 加载后 ， 运行 求解命 令对 隧道模 型
某 隧道进 口段 由于受地形 限制 ， 设计 左右隧道为小净距 隧道 ， 两边间 隔约 为 １ ０ ｍ， 故在 选取计 算模 型时考虑 左右隧 道 的相互影响 。 隧道 断面 Ｚ Ｋ ３ ７ ＋ ５ ２ ５建立模 型， 模型沿横截面 水平方 向取 １ ２ ０ ｍ， 竖 直方 向上取至地表 高度 ８ ０ ｍ， 隧道底下 取约一倍洞高 １ ０ ｍ。 在整个 模型模拟 开挖过程 中 ， 根据 刚度等效原 理 ， 确定
２ 建 立位 移 反分析 模 型
由于公路隧道属于细长结构 物 ， 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 隧 道方向没有位移 ， 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 ， 以下介绍模 型 情况 。如图 ２隧道 内轮廓图。
如表 ４ ：
表 ４ 各施工步对应的反演参数表
择杀死或激活衬砌单元 。 第一步开挖后 ， 再次运行求解命令 ，
使用 ＊ Ｇ Ｅ Ｔ命令提取反演 的测点位置的位移值 ， 如：
ｇ பைடு நூலகம் ｔ ， Ｄｙｌ ， ｎ ｏ ｄ ｅ ， １ ４ ４， Ｕ， Ｙ
Ｄ ｙ ｌ为定义的参数变量 ，用 以存储 １ ４ ４号节点 的坐标 Ｙ 向位移值 。 （ ２ ） 设初始地应力作用下拱顶的反演测点沉降位移为 ｖ １ ， 现场监测获得 的反演测点沉 降修正位移 为 ｙ ２ ，用 ｙ １ 、 ｙ ２（ 已 知） 和变 量 Ｄ ｙ ｌ 建立优化 的 目标 函数 ， 如：
则左上台阶开挖反演的参数为 ： 围岩弹『 生 模量 Ｅ ｌ ＝ １ ． ３ ３ Ｇ Ｐ ａ ， 围岩加 固圈弹性模量 Ｅ ２ ＝ ３ ． ５ ７ Ｇ Ｐ ａ ， 泊松 比 ＝ ０ ． ３ ２ ５ ， 反演位移 与实测位移之差为 ０ ． ６ ６ ４ ｍｍ 。 各施工步所对应的最佳反演参数
图 ３ 有 限 元 计 算 网 格 模 型
３ 利 用 Ａｎ ｓ ｙ ｓ对 隧道 围岩参 数 的反演 分析
３ ． １计算 方案确定
本节计算在下列假设 前提下进行 ： ①假定围岩为各 向同 性体 ； ②假定各 向同性体满足弹塑性本构关 系 ； ③假定初衬 图 中的钢拱架与喷射混凝土可 以用梁单元来模 拟 ； ④假 定锚杆
进行计算 ， 并 提取初 始地应力 作用下 的节点 力值 ， 用于对第
一
步开挖后对 洞周的应力加载 。通常在 围岩被 开挖 后 ， 应力
注： 带 ★号 的 为 最 优值
要释放 ， 按 照经验取在 上初期支 护时荷 载释放 ６ ０ ％， 修建好 二次衬砌后 ， 荷载再释放 ４ ０ ％。 所 以， 应将 得出的节 点力 全部 乘以６ ０ ％后加载 。开挖过程 中运 用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ的生死单元命令 实现隧道 的开挖 ， 并用生死单元命令 根据实际 的施工情况选
及 围岩加 固圈参数进行确 定性优 化反 分析 ， 利 用实测位 移数据反演得 出岩 土参数 ， 以期对 实际的工程模拟分析及 类 似 条件 下的隧道 工程施 工提供一定 的参考价值。 关键词 公路 隧道 ； 围岩 ； 支护体 ； 反演分析 ； 岩 土参数
１ 隧道 开 挖简 介
某 隧道 的绝大部分围岩属于 Ⅳ级 围岩 ， 对 于Ⅳ级围岩隧 道 的开挖一 般拟采用 上下 台阶的方法 ｌ ｌ ｌ ， 其施工 开挖 步骤如 图１ 所示 。在开挖过程中 ， 先开挖左隧道上侧拱顶部分 ， 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 ； 对 于较为 完整 的Ⅳ级 围岩 ， 有 时也可采用 全断 面开挖 方法 。再按 照开挖左隧道 的方法开挖右 隧道 ， 最后进 行二次
第３ 期（ 总第 １ ５ ５期 ）
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试 验 研 究 ■
ＡＮＳ Ｙ Ｓ在 某 隧 道 围 岩 参 数 反 滨 分 析 中 的应 用
郑 东 明
（ 厦 门市建筑科学研究院集 团股份有 限公 司， 福建 厦 门 ３ ６ １ ０ ０ ４ ） 摘 要 用Ａ ＮＳ ＹＳ软件建 立隧道 开挖的二 维模 型 ， 利用 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ参数化语 言 ， 通过 Ａ ＮＳ ＹＳ 优 化设计技 术对 围岩
衬砌支护 。
喷射混凝土 的等效截 面尺寸 ， 采用梁单元模 拟。锚杆与 围岩 间 的相 互作用 区视为加 固区 ， 对其材料 特性加强处 理 ， 采用
四边形实体单元模拟 ， 围岩亦采用 四边形实 体单 元模型 。二 次衬砌采用梁单元 来模 拟。模型经 网格划分后如图 ３ 。
图 １左 右 导 坑 加 上 下 台 阶法
图 ２ 隧道 内轮廓 图
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表 ３ 左上 台阶开挖反演参数表
试 验 研 究 ■
Ｏ ｐ ｔ ＞ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｓ ｅ ｔ ｓ ＞ Ｌ ｉ ｓ ｔ ， 查看结果信息 ， 整理如表 ３
对围岩起到加 固作用 ， 不再对锚杆单独讨论 。由于建 模的局
限性 ， 假定 的因素在一定程度上影 响了反演参数 的准确性。
隧道 的围岩属 于Ⅳ级 围岩 ， 隧道 开挖采用 钻爆法 ， 由于
隧道断面较大 ， 开挖 采取上下 台阶开挖方案 。实 际开挖过程 为： ①左洞上半 断面开挖一② 左洞下半断面开挖一③ 右洞上 半 断面开挖—④右洞下半断面开挖。由于右洞 的进洞时间相
输人材料参 数以及建立几何模型时要注意单位 的统一 ，
如以Ｐ ａ为单位输入弹性模量时 ，则几何模型就要 以 ｉ ｎ为单 位输入 ， 此 时求 出的结果力 的单 位为 Ｎ， 应力 的单位为 Ｐ ａ ， 位 移 的单位为 ｎ ｌ 。在 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ中的操作先后顺序 ， 介绍如下 ：
（ １ ） 建立模 型并约束 加载后 ， 运行 求解命 令对 隧道模 型
某 隧道进 口段 由于受地形 限制 ， 设计 左右隧道为小净距 隧道 ， 两边间 隔约 为 １ ０ ｍ， 故在 选取计 算模 型时考虑 左右隧 道 的相互影响 。 隧道 断面 Ｚ Ｋ ３ ７ ＋ ５ ２ ５建立模 型， 模型沿横截面 水平方 向取 １ ２ ０ ｍ， 竖 直方 向上取至地表 高度 ８ ０ ｍ， 隧道底下 取约一倍洞高 １ ０ ｍ。 在整个 模型模拟 开挖过程 中 ， 根据 刚度等效原 理 ， 确定
２ 建 立位 移 反分析 模 型
由于公路隧道属于细长结构 物 ， 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 隧 道方向没有位移 ， 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 ， 以下介绍模 型 情况 。如图 ２隧道 内轮廓图。
如表 ４ ：
表 ４ 各施工步对应的反演参数表
择杀死或激活衬砌单元 。 第一步开挖后 ， 再次运行求解命令 ，
使用 ＊ Ｇ Ｅ Ｔ命令提取反演 的测点位置的位移值 ， 如：
ｇ பைடு நூலகம் ｔ ， Ｄｙｌ ， ｎ ｏ ｄ ｅ ， １ ４ ４， Ｕ， Ｙ
Ｄ ｙ ｌ为定义的参数变量 ，用 以存储 １ ４ ４号节点 的坐标 Ｙ 向位移值 。 （ ２ ） 设初始地应力作用下拱顶的反演测点沉降位移为 ｖ １ ， 现场监测获得 的反演测点沉 降修正位移 为 ｙ ２ ，用 ｙ １ 、 ｙ ２（ 已 知） 和变 量 Ｄ ｙ ｌ 建立优化 的 目标 函数 ， 如：
则左上台阶开挖反演的参数为 ： 围岩弹『 生 模量 Ｅ ｌ ＝ １ ． ３ ３ Ｇ Ｐ ａ ， 围岩加 固圈弹性模量 Ｅ ２ ＝ ３ ． ５ ７ Ｇ Ｐ ａ ， 泊松 比 ＝ ０ ． ３ ２ ５ ， 反演位移 与实测位移之差为 ０ ． ６ ６ ４ ｍｍ 。 各施工步所对应的最佳反演参数
图 ３ 有 限 元 计 算 网 格 模 型
３ 利 用 Ａｎ ｓ ｙ ｓ对 隧道 围岩参 数 的反演 分析
３ ． １计算 方案确定
本节计算在下列假设 前提下进行 ： ①假定围岩为各 向同 性体 ； ②假定各 向同性体满足弹塑性本构关 系 ； ③假定初衬 图 中的钢拱架与喷射混凝土可 以用梁单元来模 拟 ； ④假 定锚杆
进行计算 ， 并 提取初 始地应力 作用下 的节点 力值 ， 用于对第
一
步开挖后对 洞周的应力加载 。通常在 围岩被 开挖 后 ， 应力
注： 带 ★号 的 为 最 优值
要释放 ， 按 照经验取在 上初期支 护时荷 载释放 ６ ０ ％， 修建好 二次衬砌后 ， 荷载再释放 ４ ０ ％。 所 以， 应将 得出的节 点力 全部 乘以６ ０ ％后加载 。开挖过程 中运 用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ的生死单元命令 实现隧道 的开挖 ， 并用生死单元命令 根据实际 的施工情况选
及 围岩加 固圈参数进行确 定性优 化反 分析 ， 利 用实测位 移数据反演得 出岩 土参数 ， 以期对 实际的工程模拟分析及 类 似 条件 下的隧道 工程施 工提供一定 的参考价值。 关键词 公路 隧道 ； 围岩 ； 支护体 ； 反演分析 ； 岩 土参数
１ 隧道 开 挖简 介
某 隧道 的绝大部分围岩属于 Ⅳ级 围岩 ， 对 于Ⅳ级围岩隧 道 的开挖一 般拟采用 上下 台阶的方法 ｌ ｌ ｌ ， 其施工 开挖 步骤如 图１ 所示 。在开挖过程中 ， 先开挖左隧道上侧拱顶部分 ， 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 ； 对 于较为 完整 的Ⅳ级 围岩 ， 有 时也可采用 全断 面开挖 方法 。再按 照开挖左隧道 的方法开挖右 隧道 ， 最后进 行二次
第３ 期（ 总第 １ ５ ５期 ）
翘
试 验 研 究 ■
ＡＮＳ Ｙ Ｓ在 某 隧 道 围 岩 参 数 反 滨 分 析 中 的应 用
郑 东 明
（ 厦 门市建筑科学研究院集 团股份有 限公 司， 福建 厦 门 ３ ６ １ ０ ０ ４ ） 摘 要 用Ａ ＮＳ ＹＳ软件建 立隧道 开挖的二 维模 型 ， 利用 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ参数化语 言 ， 通过 Ａ ＮＳ ＹＳ 优 化设计技 术对 围岩
衬砌支护 。
喷射混凝土 的等效截 面尺寸 ， 采用梁单元模 拟。锚杆与 围岩 间 的相 互作用 区视为加 固区 ， 对其材料 特性加强处 理 ， 采用
四边形实体单元模拟 ， 围岩亦采用 四边形实 体单 元模型 。二 次衬砌采用梁单元 来模 拟。模型经 网格划分后如图 ３ 。
图 １左 右 导 坑 加 上 下 台 阶法