第14章隧道工程数值模拟技术
高速铁路隧道不良地质条件风险防控理论及关键技术
高速铁路隧道不良地质条件风险防控理论及关键技术发布时间：2021-11-03T02:31:39.795Z 来源：《城镇建设》2021年第18期作者：龙小海[导读] 在高速铁路隧道施工中，经常遇到地质条件复杂、构造活动剧烈、施工工艺精湛龙小海渝万铁路有限责任公司重庆渝中区400010摘要：在高速铁路隧道施工中，经常遇到地质条件复杂、构造活动剧烈、施工工艺精湛、风险不可预见等问题。
随着大型山岭隧道的快速发展，其施工技术和管理水平难以跟上。
此外，由于地下工程施工风险评价不客观、风险管理不科学、风险管理投入不足，隧道塌方(包括大变形)、涌水(涌泥、涌水)等灾害频繁发生。
在山岭隧道施工过程中，塌方、涌水等危险事故不仅造成施工延误、设备损坏、投资增加，而且对施工人员的安全构成严重威胁。
因此，通过风险评估和风险管理，对隧道塌方和涌水的机理以及控制风险水平在可接受范围内的对策进行了大量的研究，本文的研究成果可以提高隧道安全风险评价的理论水平和可靠性，为隧道施工提供参考。
关键词：高速铁路隧道不良地质条件风险防控关键技术分析引言目前，我国已成为世界上最大、发展最快的隧道建设国。
在中西部交通建设中，隧道工程有着前所未有的巨大发展机遇。
隧道工程规模大、技术复杂、影响范围广、风险大，给隧道工程建设带来了巨大的挑战。
同时，隧道的勘察、设计和施工过程处于一定程度的分离状态，导致施工信息无法及时获取、传递和反应，从而增加了施工风险和成本。
测量信息、预报信息、监测测量数据的信息水平不足，导致各种施工信息无法及时、有效地交流、分析和反馈。
因此，隧道信息的全面、高效集成和即时反馈对于隧道建设的高效、安全、经济具有重要意义，在不同的发展时期，隧道建设具有不同的内涵和外延。
一．铁路隧道不良地质条件概述隧道掘进机(TBM)的选型是隧道工程设计的一个重要组成部分。
这是因为这个决定几乎是不可逆转的，一旦机器被放置在地面上，几乎没有办法把它拉出来，任何重大的修改和改装都是非常耗时和昂贵的，如果不是不可能的话。
公路隧道施工过程的数值模拟及ANSYS实现
2
王文正 夏永旭 胡庆安
早就结束 ,对隧洞的开挖不产生影响 ,因此在以后的 每个施工阶段分析位移场时 ,需减去初始位移场 。
在进行结构分析时 , AN S YS 中可以使用输入 文件来把初应力指定为一种载荷 ,因此当具有实测 的初始地应力资料时 ,可将初始地应力写成初应力 载荷文件 ,然后读入 AN S YS 作为载荷条件 ,就可直 接进行第一步的开挖计算 。所得应力场和位移场就 是开挖后的实际应力场和位移场 ,无需进行加减 。 21 2 开挖与支护过程的模拟
0 引言
公路隧道研究的方法有物理实验方法 、工程类比方法和数值模 拟方法 。物理实验方法费用高 ,时间长 ,工程类比方法由于划分比 较粗造 ,与实际有时差距较大 ,因而 ,有限元数值分析方法是目前公 路隧道研究的常用方法 。但是 ,在应用有限元数值方法模拟隧道的 施工过程中 ,有关隧道围岩初始应力的释放 ,不仅需要技术 ,而且要 有一个合适的分析软件 。本文提出了“施加虚拟支撑力逐步释放 法”,并试图通过 AN S YS 分析软件完成这种围岩卸载方法的实施 。
Key words : Tunnel co nst ruction ; Nu2 merical simulation ; St ress relief
(11 长安大学公路学院 ,陕西 西安 710064 ; 21 北京市市政工程总公司 ,北京 100045)
摘 要 :正确模拟围岩的卸载过程是地下工程数值模拟的一个重要
AN S YS 程序中的载荷步 (Load Step) 功能可以 实现不同工况间的连续计算 ,用来模拟隧道的连续 施工过程方便有效 。
开始建立整体有限元模型 ,包括将来要杀死或 激活的部分 ,模拟的过程中不需重新划分网格 。在 一个载荷步计算结束后 ,可直接进行下道工序的施 工 :杀死 (开挖) 或激活 (支护) 单元 ,改变虚拟支撑力 等 ,然后求解计算 。如此继续一直到施工结束 。
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]。
隧道开挖过程的数值模拟与分析
对 断层 、 夹层 、 节理 、 隙等 地质 情况 的模拟 ， 裂 还可 考虑
非 线性应 力一 应变关 系 及 分 期过 程 ， 得 实 际 情况 在 使 计算 中得 到较好 的反 映 。
隧 道为分 离 式 设 计 ， 口接 线半 径 为 １ ０ 出 进 ０ｍ， ０
分析 ， 隧道 围岩建立 的计 算模 型进 行 隧 道 开挖 过 程 对 动 态数值模 拟 ， 分析开 挖过程 中围岩 弹塑性应 力 、 应变
为了和 当前 的节 点 位 置 相 匹配 ， 元 的 形 状 被 改 变 。 单
在 一些情 况下 ， 单元 的生 死状 态可 以根据 Ａ Ｓ Ｓ的计 ＮＹ
口接 线 半 径 为 ｌ８ ０ｍ， 内 为 直 线 段 ， 计 纵 坡 为 ０ 洞 设
２ 。隧 道主体 部分 处于 微风化 的 片麻岩 山体 内 ， 大 ％ 最
埋 深 １６ ３ 在隧 道洞 口地段 ， 岩 为 片麻 岩 ， 全 １． ９ｍ， 基 其
风化 层厚 １ ５—３ 局 部 顶 部 分 布 有 残坡 积 土 ， 速 ３ ｍ， 波
算 结果 来 决 定 ， 如应 力 、 变 等 。Ａ Ｓ Ｓ单元 生 死 功 应 ＮＹ 能在 杀死 或激 活单 元 时 ， 对单 元 的 内在 属性 ， 应 力 、 如 位移 等作 有效 处理 ， 用单 元 的生 死 功能 来 模 拟 隧道 使
的开 挖和 支护 。
的数值 方法之 一 ， 多数 的 计算 软 件 都 是基 于 有 限 元 法
力 人手 ， 分析 围岩 的应力 场 和 开 挖 过程 中支 护结 构稳
定 性 。在 围岩 稳定性 定 性 评 价 的基 础 上 ， 析 围 岩 和 分
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。
隧道开挖过程的数值模拟与分析
1 隧道开挖过程的数值模拟
本文主要以安徽某隧道工程为背景 ,以隧道围岩 压力和结构稳定性评价为主线 ,以保护围岩的自稳和 指导施工为目的 ,根据隧道围岩的自身特点 ,从围岩压 力入手 ,分析围岩的应力场和开挖过程中支护结构稳 定性 。在围岩稳定性定性评价的基础上 ,分析围岩和 支护结构的共同作用 ,探讨围岩与支护结构平衡状态 建立的力学要素 。建立二维平面模型模拟隧道的动态 开挖过程 。利用现有的 ANSYS910 有限元程序 ,通过 建立有限元模型 ,对隧道有限元模型采用平面弹塑性 分析 ,对隧道围岩建立的计算模型进行隧道开挖过程 动态数值模拟 ,分析开挖过程中围岩弹塑性应力 、应变 的分布和变化规律 ,重点对比隧道支护前后围岩的位 移和应力的变化以及支护结构自身的应力变化 ;分析 二次衬砌后隧道位移和应力变化及衬砌结构的变形情 况 ,为隧道的安全开挖提供参考 。
2 隧道开挖过程的 ANSY S仿真模拟
采用 ANSYS有限元软件对安徽省某公路隧道某 断面进行开挖全过程仿真模拟 ,具体计算步骤见图 1。 211 隧道的工程概况
隧道为分离式设计 ,进口接线半径为 1 000 m ,出 口接线半径为 1 800 m , 洞内为直线段 , 设计纵坡为 2%。隧道主体部分处于微风化的片麻岩山体内 ,最大 埋深 116139 m ,在隧道洞口地段 ,基岩为片麻岩 ,其全 风化层厚 15～33 m ,局部顶部分布有残坡积土 ,波速 Vp = 500～750 m / s,强风化层厚 6～38 m ,弱风化层厚 度 > 5 m ,该地段设计最大埋深为 55 m。隧道单孔拟 定净宽度为 10150 m ,净高度为 510 m ,设计净跨度为
- 01285 - 01162 - 01375 - 01376 - 11030 - 01186 - 01585 - 01523 - 01111 - 01214
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。