二衬在GTS中的模拟
隧道施工工法对结构变形的影响研究
隧道施工工法对结构变形的影响研究发布时间：2022-05-19T01:38:11.329Z 来源：《中国建设信息化》2022年3期作者：董学海[导读] 本文采用迈达斯GTS软件进行多种工法的施工模拟，计算得到各种工法下地面、初支和二衬结构的变形。
董学海（中铁二十五局集团第四工程有限公司广西柳州 545007）摘要本文采用迈达斯GTS软件进行多种工法的施工模拟，计算得到各种工法下地面、初支和二衬结构的变形。
通过比较分析计算结果可知，CRD法对结构变形具有较好的限制作用，三台阶预留核心土法施工引起的变形也在可控范围内，在允许结构产生一定变形的前提下，可优先采用三台阶预留核心土法。
该工法的关键在于，上部台阶施工后及时进行初支封闭。
初支封闭后可有效降低变形速率并使得变形逐渐趋于稳定状态。
上、中台阶施工是围岩变形控制的关键阶段。
关键词：三台阶预留核心土法、CRD、数值模拟Study on the influence of tunnel construction method on structural deformation Dong xuehai(China Railway 25 Bureau Group Fourth Engineering Co., LTD. Guangxi Liuzhou 545007) Abstract Midas GTS software is used to calculate the deformation of ground, primary branch and secondary lining structures.According to the comparative analysis and calculation results, it is known to see that CRD method has a good limiting effect on structural deformation, and the deformation caused by the three-step reserved core soil construction is also within a controllable range. On the premise of certain deformation of the structure allowed, the three-step reserved core soil method can be preferred.The key to this method is that the initial branch is closed in time after the construction of the upper steps.Reduce the deformation rate and make the deformation gradually go to a stable state.Upper and middle step construction is the key stage of surrounding rock deformation control. Keywords Three steps reserved core soil method, CRD, numerical simulation0 引言为满足国家基础交通运输的建设需要，公路工程建设在西南地区快速发展。
midasGTS作业(土木工程cad)
土木工程计算机软件应用（隧道工程专业）
课程考察题目
本隧道为两车道高速公路隧道，支护结构由初期支护和二次衬砌组成。
初期支护为25cm厚C20喷射混凝土，二次衬砌为30cm厚C30模筑素混凝土。
选取计算断面围岩为Ⅴ级，埋深**m（按附表每个同学不同）。
隧道开挖采用全断面法。
隧道内轮廓如图1。
图1 隧道轮廓及数值模型图(单位cm)
1、计算工况
（1）建立模型
（2）自重应力平衡；
（3）全断面开挖隧道，应力释放30%，计算平衡；
（4）施作初期支护，应力释放40%，计算平衡；
（5）施作二衬，应力释放30%，计算平衡。
2、计算参数
表中：E—弹性模量；ɣ—容重；μ—泊松比；c—粘聚力；ϕ—内摩擦角；H—支护厚度；W—宽度。
3、计算结果分析要求
（1）内力分析（分析每个施工步）；
（2）位移分析（分析每个施工步）；
（3）按现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2010进行初支和二衬的配筋计算。
深圳地铁某区间隧道二衬结构数值模拟分析
３ ｌ Ｃ０钢筋混凝土 ｊ
． 体松动 、 坍塌而产生 的竖 向和 侧 向的主动压 力 ． 支护结构 会发 生 ２ ４ 模 拟计 算结 果及分 析
一
定 的变 形 ， 时 ， 同 由于 围 岩 与 支 护 结 构 的 相 互 作 用 关 系 ， 护 结 支
根 据 Ａ Ｓ Ｓ有 限 元 数 值模 拟 得 出该 隧 道 二 衬 结 构 的 受 力 和 ＮＹ
２ 数值 模拟 ２ １ 计算模 型的 选择 ．
由 于 隧道 施 工 过 程 中上 覆 土 层的 作 用 ， 护 结 构 要 承 受 因 岩 支
Ｉ
材料
ｆｙｋ ｍ 弹 容－ Ｎ・ 。Ｉ 性模量／Ｐ ｆ泊松比 Ｉ ／ｇ ｍ。Ｉ ￣ ／ Ｇａ 密度 ｋ ・
２ ５ ｌ ３ ０ ｝ ０２ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ２５０ ０ ｌ
中国 分 类 号 ：４ １４ Ｕ ５ ． 文献标识码 ： Ａ １ 采 用 平 面 应 变 模 式 ， 算 模 型 沿 隧 道 轴 线 方 向不 发 生 位 ） 计
０ 引 言
仅 ２假 对 于 地 下 隧 道 工 程 的 设 计 理 论 ， 历 厂 ・ 漫 长 的 发 展 过 移 ， 发 生 垂 直 和 水 平 方 向 的 位 移 ； ） 定 二 衬 结 构 为 小 变 形 弹 经 个 性梁 ， 且 有 足 够 多 个 离 散 等 厚 度 梁 单 元 ； ） 用 弹 簧 单 元 来 模 并 ３采 程 。由 最 早 的 依照 拱 桥 方 式 进 行 模 仿 设 汁 ， ２ 到 ０世 纪 中期 ， 克 温 拟 围岩 与 结 构 的 相 互 作 用 ， 弹簧 单 元 仅 受 压 ， 拉 时 自动 脱 落 ； ） 受 ４ 尔 的 局 部 变形 理 论 得 到 广 泛 应 用 ， 支 护 结 构 与围 岩 视 作 连 续 介 将 结 构拱 底仅 施加 地基 弹簧 单元 ， 忽略 自重 等 因素对拱 底产 生 的应 力 。 质 模 型 的 分析 方 法 得 到 发 展 。 近 年 来 随 着 计 算 机 技 术 和 岩 土 本
GTS在隧道设计及施工方面的应用
图 1 开挖前网格模型
图 2 板、柱、桩模型图
3、材料参数
材料名
3、参数
材料名称
填土 ③-1 ⑥-2 ⑧-1 ⑧-2 路面 板
E/kPa
6870 13830 18130 40390 44460 20000000 22400000
c/kPa
15 15.5 34 31 25 － －
/°
15 9 22 24 28 － －
γ / kN m-3
18.1 15.4 18.4 19.3 19.1 24.5 24.5
0.29
19.0
24.1
30.7
0.29
20.2
1
35.0
0.30
21.3
36.8
35.0
0.29
20.2
1
35.0
0.29
21.0
6
40.0
0.29
21.0
6
40.0
0.20
29.0
-
-
0.20
25.0
-
-
7
4、各施工步分析计算结果
图 3 顶层建筑完成后楼板、边墙 P1(TOP)云图 图 4 二层建筑完成后楼板、边墙 P1(TOP)云图
midas /GTS
Geotechnical and Tunnel analysis System
在隧道设计及施工方面的应用
一、 MIDAS/GTS 软件简介 二、 MIDAS/GTS 在隧道设计施工中的应用 三、 MIDAS/GTS 国内部分隧道用户列表 四、 MIDAS/GTS 功能价格表
midasGTS常见问题释疑
MIDAS/GTS常见问题释疑第一部分：程序安装 (2)1.问：启动程序时提示没有发现保护锁？ (2)2.问：启动程序时提示密钥号错误？ (2)第二部分：前处理 (2)1.问：顶点拟合曲面为何有时不能实现？ (2)2.问：NURSS面与边界面的区别？ (2)3.问：检查重复形状应注意哪些问题？ (3)4.问：几何/合并面线的作用是什么？ (3)5.问：利用‘填充网格’命令将二维单元转变为三维单元时，为什么提示上下面单元数不同？ (3)6.问：为什么在连续点选缩放、平移、分行视图及旋转的时候功能会产生混淆？ (3)7.问：将二衬定义为实体的时候需要注意什么问题？ (3)8.问：“the quadratic 1-dimensional element type is supported”错误命令是什么意思？ (3)9.问：匹配面线命令的作用和用法? (3)10.问：在加‘面压力’时,其对象类型有‘单元,单元-面’ 有什么区别？ (4)11.问：GTS可以导入导出哪些格式，如何导入电子地图，电子地图抓图的精度如何？ (4)12.问：我们建立地表面的栅格面都是等间距的，但实际的勘测点都是随意的不等间距点，那么该如何生成地表面？可否通过3点坐标生成地表面或地层面？ (4)13.问：在水头边界定义时，怎样查看水头边界是总水头还是压力水头？ (4)14.问：在几何线或面上加了荷载，可以将荷载直接转化到节点或单元上吗？ (4)15.问：水头边界有哪些类型？ (5)17.问：在GTS里面可不可以显示结构单元的截面特性？ (5)18.问：在GTS里面可不可以对某些常用的功能设置快捷键？ (5)19.问：在GTS里面可不可以实现对某个单元的显示或隐藏？ (5)20.问：出现如图2所示的提示？ (5)21.问：出现如图3所示的提示？ (5)22.问：出现如图4所示的提示？ (6)23.问：在GTS里都否实现单元、节点信息的输入输出？ (6)24.问：为什么加了梯形荷载之后，窗口中显示的荷载数值是梯形变化的，而图形显示是矩形的？ (6)第三部分 分析功能 (6)1.问：K0法与有限元法有什么区别? (6)2.问：计算边坡的时候需要注意的哪些问题？ (6)3.问：荷载释放率如何定义？ (6)4.问：为什么没有勾选位移清零，在第一步里面位移值也是零？ (7)5.问：GTS的动力分析，采用什么方法？可以做非线性分析吗？ (7)6.问：GTS的动力分析中，阻尼是怎么考虑的？ (7)7.问：GTS的动力分析中，动力荷载有哪些形式？ (7)8.问：在GTS中，动力边界是如何考虑的？ (7)9.问：在GTS中，质量矩阵采用何种形式？ (7)10.问：在GTS中，如何模拟移动荷载？ (8)11.问：在GTS中，爆破可以模拟吗？荷载是如何确定的？ (8)12.问：在GTS中，可以做场地的反应谱分析吗？有国内的场地规范吗？ (8)13.问：如何取得模型中某个点的加速度、速度、位移的时程图和时程序列？ (8)14.问：地震荷载是否可以仅施加在子结构上,另外在动力分析中是否可以施加位移荷载？ (8)15.问：在施工阶段考虑渗流问题，怎么考虑？ (8)16.问：在边坡稳定计算中怎么考虑渗流作用？ (8)17.问：渗流计算的时候，如何判断非稳定流和稳定流？ (8)18.问：在施工阶段分析中，包含非稳定流计算时，需要注意哪些问题？ (8)19.问：排水和非排水计算，在GTS中如何区别设置？ (9)20.问：在施工阶段渗流分析中出现如图6所示的提示？ (9)第四部分 后处理 (9)1.问：GTS里面前后处理之间可以直接切换吗？ (9)2.问：GTS中单元的内力怎么考虑？ (9)3.问：在特性/变形中变形前的线宽可否小于1？ (9)4.问：为什么在定义剖面图时候改变定义平面命令显示不变？ (9)5.问：梁单元的轴力和弯距方向怎么判断？ (9)6.问：梁单元的combined 1-4是什么意思？ (10)7.问：定义多个剖分面或剪切面来参看后处理结果时，为什么不能同时显示已定义的多个剖分面和或剪切面？ (10)8.问：在用剖分面、剪切面查看后处理结果后，怎么退出到基本视图？ (10)9.问：屈服比的定义是什么？屈服比和安全系数有什么关系？ (10)第一部分：程序安装1.问：启动程序时提示没有发现保护锁？答：1.驱动程序没有安装好,请在“控制面板/添加或删除程序”中删除Sentinel Protection Inst aller 7.1.0，重新手动安装Sentinel Protection Installer 7.1.0。
MIDAS-GTS常见问题释疑2
MIDAS/GTS常见问题释疑 21.问题：四面体和六面体直接耦合有没有影响答：有影响，因此建议四面体和六面体之间用五面体过度。
2.问题：两台机子上计算结果显示不一样答：有可能是其中一台机子的操作系统有问题，建议重装操作系统。
3.为什么荷载结构法和地层结构法计算下来结果相差很大，应该采用那个计算结果进行设计？答：应该从受力的角度看，对于荷载结构法来说，计算受力的对象是衬砌结构；而地层结构法的受力对象是衬砌和土层。
因此就会有这种情况：荷载结构法的全部荷载是由衬砌结构承担的，反映的是围岩垮塌的情况下，支护结构能够承担不至于倒塌；地层结构法的全部荷载由岩土和结构来承担，这样从设计的角度来看是偏于不安全的，但是能够充分考虑围岩自稳的状态。
4.[单元23109错误]: 输出坐标系垂直于单元局部坐标系。
是什么意思？答：遇到这种情况，可以通过调整特性里面面单元的材料坐标系。
5.荷载释放系数问题？答：当某个单元被钝化时，定义了荷载释放系数，当荷载释放没有完成的时候你不能把它再激活。
a)有两种方法：一种是不要定义荷载释放系数；还有一种就是把这个网格组再复制一次，钝化的时候把这个网格组钝化，激活的时候把复制的网格组激活就可以了。
6.后处理结果，云图中有数值怎么解决答：后处理模式中，第四个里面有结果数值，可以调整。
7.桁架与植入式桁架的计算区别？答：计算得到的岩土结构受力差不多；植入式桁架的轴力很小。
8.多次对同一个网格组进行修改单元属性命令，在程序中是否起作用？答：在施工过程中，可以计算，在模拟材料转换的时候是可以的。
但是如果单元没有经过激活钝化的，应力应变位移状态是会继承的。
因此如果考虑挖掉再回填其他的工况的话，建议采用复制单元。
9.在导入CAD的时候，为什么有些曲线导进来不对？10.答：在CAD中需要将这些线炸开再导进来。
11.为什么有的时候进行渗流分析的时候报错信息提示自由度有问题？答：造成这种的原因是渗透系数偏小。
midas GTS常见问题一
GTS问题总结1问：GTS中单元的内力怎么考虑？答：对于梁单元来说，可以通过查看内力图来查看结构的内力。
对于实体单元，只能查看单元的应力情况，详细的结果内容见《后处理结果意义》。
2问：在边坡稳定计算中怎么考虑渗流作用？答：可以先利用渗流计算并将计算的结果导入到边坡稳定计算里面。
步骤：1定义渗流分析工况，并进行计算；2在边坡计算中利用模型/荷载/应用渗流结果所得孔压，选择渗流分析工况；3进行边坡计算。
基本原理：利用‘总应力＝有效应力＋孔隙水压力’来计算。
3问：顶点拟合曲面为何有时不能实现？答：有时候选择的顶点突变比较严重，由于计算机算法的问题，软件拟合的曲面不是很好。
这样可以首先分成几块来进行拟合，并利用边界面把这几块连接起来。
如果不行，可以删除一些变化比较大的地方，再尽量来拟合。
4问：NURSS面与边界面的区别？答：边界面最多能够用四个边界线定义，而NURSS可以用多个边界线来定义。
但是NURSS面最好不要多用。
用边界面生成面时，当边界线大于4时，需要将一些线连接起来，这样生成的面包含四个边界线，在需要划分映射网格时候，是根据连接后的线与其他三个形成两对相对的边组来划分网格，因此在连接组合两条边或更多的时候需要注意组合的边。
轮廓线内部包含有其他轮廓线时(例: 内部有圆孔的曲面)不能生成NURBS曲面。
NURBS 面虽然是建立曲面形状的较好的方法，但是为了建立曲面使用的边线和实际要生成的曲面的边线有可能不一致，所以在对包含NURBS面的表面进行缝合等操作时，输入的误差y要比基本值稍大一些才能正常运行缝合等操作。
当选择线后按预览时没有生成消隐形状时，请终止生成。
没有生成消隐形状表示面的构成有问题，这对后续的建模会有影响。
此时最好对线进行合并等编辑操作，然后再重新建立面。
如果实在没有好的方法解决，在建立了非正常的面之后，使用修补工具(Repair Factory)中的固定形状(Fix Shape)功能修改形状后再进行后续的建模工作。
GTS在基坑中的部分应用
工程单位：上海地下建筑设计院工程名称：某地铁车站周边基坑开挖模拟情况：模拟已有车站周边的两个基坑（大厦基坑、变电站基坑）同时开挖对地铁车站的影响组成部分：一个既有车站、周边两个基坑平面布置图大厦支撑布置图车站顶板布置图整体模型结构单元整体图开挖阶段连续墙DX方向位移图开挖阶段土体DZ方向位移图工程单位：上海地下建筑设计研究院工程名称：某地铁车站出入口改造工程模拟情况：真实模拟平面多工序、立体多层次的施工作业顺序组成部分：既有车站、既有通道、既有广场、出入口平面布置图整体模型结构单元整体图工程单位：上海交通大学工程名称：某盾构隧道推进过程对上部水管结构影响分析模拟情况：随盾构逐环推进，周边土体沉降和结构变形组成部分：既有水管、新建盾构隧道衬砌整体模型原有水管和隧道衬砌CS15模型竖向位移DZCS15 模型Z方向应力CS15 水管DZ方向位移图工程单位：上海市政工程设计研究院工程名称：某既有隧道上方开挖基坑模拟情况：采用抽条式开挖基坑，考察坑底回弹、连续墙变形及其开挖过程对既有隧道衬砌的影响组成部分：既有隧道衬砌、上方基坑整体模型结构单元整体图CS4土体DZ方向位移图CS9土体DZ方向位移图CS9隧道衬砌DZ方向位移图工程单位：上海市政工程设计研究院工程名称：某车站周边开挖基坑模拟情况：模拟已有车站周边的两个基坑同时开挖对地铁车站的影响组成部分：既有车站、周边两个在建基坑图1 整体模型图2 地下连续墙图3 横撑布置图图4 小坑横撑布置图图5 大坑横撑布置图图6 横撑及桩布置图图7 横撑与桩布置图图8 楼板和柱布置图大坑挖到底时土体DZ方向位移图小坑挖到底时土体DZ方向位移图大小基坑顶板竖向位移。
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二衬在GTS中的模拟
在GTS模拟隧道开挖的时候，大多数用户希望能够将二衬的作用模拟进去，下面将分别将几种方法说明如下（由于本资料是对实现二衬的方法，所以以二维模型为主，采用一个开挖步骤：
1、把二衬作为初支厚度的增加部分（见模型“第一种方法”）
在这种方法中，模拟二衬是通过模型/边界/修改单元属性，把初支单元的属性修改为初支+二衬（材料不发生变化，只是特性的厚度由初支的厚度变化为初支+二衬的总厚度）的材料属性；然后施工阶段施做支护阶段，把该边界条件激活。
这种方法的思路在于：把二衬作为初支的厚度增加，来考虑二衬添加后支护增强的效应。
图1 修改单元属性。
这种方法的优势在于：建模简单，在考虑初支的模型基础上只需要添加加厚度的“修改单元属性”命令，就可以近似的考虑二衬的支护作用。
缺点在于：不能将初支和二衬的内力分别显示，只能把两者对围岩总的支护效应体现出来；不能够考虑初支和二衬之间的相互滑移。
2、初支和二衬都使用梁单元建立。
（见模型“第二种方法”）
这种方法中，在第一次析取线单元生成初支的基础上，再次析取线单元生成二衬。
在这种模拟方法的思路在于：初支和二衬在同一位置的梁单元，单元完全重合；二衬作为二次支撑结构来受力。
这种方式的优势在于：建模相对简单，计算结果中可以对初支和二衬的结果进行分别显示；可以显示初支和二衬的内力图。
缺点在于：不能够考虑初支和二衬之间的相互滑移。
3、初支使用梁单元，二衬采用平面应变单元。
（见模型“第三种方法”）
这种方法中，初支采用梁单元，二衬采用平面应变单元模拟。
这样二衬的位置在开挖之前属于岩土材料，因此需要考虑这部分网格重新激活问题。
有两种方式可以实现：第一种，使用模型/边界/修改单元属性，把岩土材料修改成二衬的混凝土材料，当成一种边界条件，在二衬施加的阶段把这部分网格重新激活，然后把定义的边界条件激活；第二种，在二衬的位置划分两次网格，分别赋予岩土和混凝土材料参数，在相应的阶段将这两种网格激活或钝化。
初支——梁单元
核心土——平面应变单元
二衬——平面应变单元
初支——梁单元
核心土——平面应变单元
二衬——梁单元
其中推荐用第二种方式，因为第一种方式不能使用荷载释放来模拟二衬和初支分别承担的力的情况。
这种方式的优势：能够模拟变截面二衬或者二衬厚度较大的模型，常用于地铁和连拱隧道。
缺点：建模比较复杂；二衬的内力不能够显示；不能够考虑初支和二衬之间的相互滑移。
4、考虑初支和二衬之间的相互滑动。
（见模型“第四种方法”）
这种方法中，初支和二衬的设置同3。
关键点是：初支和二衬之间的相互连接方式采用接触单元的形式进行模拟。
模型“第四种方法”中需要注意的地方是：由于初支和围岩的采用完全耦合连接，因此在设置接触单元的时候是在初支围岩和二衬之间建立接触。
这样在初始状态下，围岩部分和二衬部分的节点是断开的，因此需要建立刚性连接单元。
在计算初始应力场时，将刚性连接单元激活。
附录各种方式计算结果对比现将各个模型计算的结果对比如下（二衬支护阶段）：
X方向位移dx云图
第一种方法
第二种方法
第三种方法
第四种方法
Z方向位移dz云图
第一种方法
第二种方法
第三种方法
第四种方法初支轴力Fx云图
第一种方法
第二种方法（左侧初支，右侧二衬）
第三种方法
第四种方法
初支弯矩Mz云图
第一种方法
第二种方法（左侧初支，右侧二衬）
第三种方法
第四种方法塑性区
第一种方法
第二种方法
第三种方法
第四种方法
通过对围岩位移以及支护结构受力情况进行对比可以得出如下结论：使用梁单元来模拟二衬（第一、第二种方法），支护结构的刚度大，所以围岩变形小，支护受力大；用面单元来模拟，反之。
11。