隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用

三维隧道CAD系统的研发与应用_郭幼蓓

交　通　科　技　2010年7月TransportationScience&TechnologyJul.2010收稿日期:2010-06-12三维隧道CAD系统的研发与应用郭幼蓓　刘向阳　郭腾峰

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司　西安　710075)

摘　要　三维隧道CAD系统是在国内缺少成熟的公路隧道CAD辅助设计软件的现状下,针对公路隧道设计涉及专业面广、设计变更多等特点而研发的辅助设计软件,其主要功能包括:与路线CAD集成的隧道平纵设计、参数化方式的隧道衬砌设计、基于DTM和实体建模技术的隧道洞门三维化设计,通过开发软件提高隧道设计的效率。关键词　隧道　CAD　参数化　衬砌　三维洞门

1　隧道设计的特点与现状

1.1　隧道设计的特点

随着我国公路建设的大发展和隧道设计、施

工技术的提高,在公路设计中的隧道方案已被广泛使用。隧道设计与其他专业设计相比较具有以

下特点: (1)公路隧道设计涉及的专业面广,涉及到

结构、防排水、岩土、地质、地下水、空气动力、光学等多专业。因此隧道设计存在一定的复杂性。(2)公路隧道设计变更多。由于隧道是处在

各种地质环境中的地下构造物,工程环境特殊。

同时,地质环境具有不可预知性,仅仅依靠施工前的勘察资料和成果来完全掌握地质条件是很困难

的,常常要在施工中的观测、勘察来修正或变更

设计。1.2　隧道设计的现状(1)设计效率低。每当隧道设计需要尺寸调

整时,就必须对设计图纸逐一进行修改,再重新计

算工程数量,使得隧道设计的过程复杂,且工作量大,设计效率低下。(2)适用范围有限。目前隧道设计主要采用

通用图纸修改的设计方式。但是,隧道断面形状多样,洞门型式也不断推陈出新,对于新的设计需

求往往只能靠手工绘制来实现,不能适应复杂项

目设计的需要。(3)不能满足工程建设三维化、信息化发展的需要。三维化、协同化设计是工程设计技术发

展的总体趋势,而隧道CAD技术的发展远远滞后。从工程项目全生命周期管理的角度出发,也

基于保角变换法富水软土高速公路隧道渗流场分析

摘要：针对高水压工况下地下水渗流引起的高速公路隧道开挖失稳破坏问题，以贵金高速公路隧道工程为背景，基于隧道围岩渗流场理论，运用有限元软件建立隧道开挖渗流场模型，总结出不同影响因素对衬砌外水压力、孔隙水压力和岩体强度特性的变化规律，提出了维持富水隧道开挖面稳定性的关键施工技术。研究结果表明：隧道衬砌外水压力随着θ角近似呈正弦函数曲线分布特征，当隧道埋深d=2R时，衬砌内外处于等水压状态；孔隙水压力与地下水位和渗流时间近似呈正相关关系，当开挖面支护压力比小于0.5时，隧道围岩处于失稳临界状态；注浆加固后拱顶沉降降幅为37.07%。研究结果可为类似工程提供借鉴和参考。

关键词：富水软土隧道；保角变换法；渗流场；孔隙水压；岩体强度特性；控制参数

中图分类号：U 455文献标志码：A

Analysis of seepage field of water-rich soft soil highway tunnel

based on conformal transformation method

LUO Hong-guang, CHEN Ze-meng

（CCCC—SHEC Forth Engineering Co．Ltd., Luoyang, Henan, 471013,

China）

Abstract：Aiming at the problem of unstable failure of highway

tunnel excavation caused by groundwater seepage under high water

pressure conditions, Based on the theory of tunnel surrounding rock

seepage field in Guijin Expressway tunnel project, The finite element software is used to establish the seepage field model of tunnel

偏压隧道研究现状

摘要: 在山区交通、水利水电等领域的隧道和地下结构工程中，隧道偏压一直是设计、支挡、加固、施工、维护及稳定性评价与分析理论中最具挑战性的难题之一。通过介绍目前偏压隧道的判定、研究方法以及地层加固的国内外研究现状，在前人研究的基础上进行回顾和总结，进而提出目前研究中的不足之处，为以后的研究拓展思路。

关键词：偏压隧道；模型试验；数值模拟；地层加固

中图分类号：u45文献标识码： a 文章编号：

1引言

随着我国经济建设的高速发展以及新一轮西部大开发的推进，山区高速公路和铁路建设进一步蓬勃发展，隧道在公路、铁路工程中所占的比例也越来越高。由于山区地形复杂多变，地势陡峻险要，地质条件复杂，路线展线较为困难，因此隧道偏压的情况就难以避免，尤其在洞口段、沿溪线和傍山线中表现更为突出。因而吸引了国内外许多学者从模型试验、监控、数值模拟、地层加固等不同方面进行探索和研究，并取得了很大进展。

2偏压隧道的判定

2.1偏压隧道的成因

所谓偏压隧道，是指由于种种原因引起围岩压力呈明显的不均匀性，从而使支护受偏压荷载的隧道。其形成主要有以下几个方面的原因： (1)施工原因。因施工方法不当引起开挖断面局部坍塌，从而改变了围岩压力的相对稳定性，造成应力集中而引起隧道偏压，如处理得当，一般不会影响正常施工。

(2)地质原因。因岩层产状倾斜、节理发育，其间又有软弱结构面或滑动面，自稳能力极差，施工中一旦受到扰动，岩体就会沿层理面出现滑动。

(3)地形原因。隧道傍山，地面显著倾斜，侧压力较大，且隧道埋深较浅。

2.2 偏压隧道的判断

(1)地形引起的偏压。围岩类别、地面坡度和覆盖层厚度是判别隧道偏压的三个重要因素。当隧道外侧拱肩至地表面的垂直距离t值等于或小于表1所列数值时，应视为偏压隧道。一般在ⅲ类以下围岩中，以地形引起的偏压为主。

表1 拱肩至地表面垂直距离t值（m）

(2)地质构造引起的偏压。地质构造常在多裂隙围岩(以ⅵ-ⅲ类较为突出)中引起隧道偏压，其压力分布主要与下列因素有关:

盾构隧道纵向刚度及影响因素模型试验研究

隧道纵向刚度是影响防火墙隧道系统安全性的重要参数，有助于纵向的上护面的安全运动，为避免地震灾害和碰撞等风险，确定纵向刚度具有重要意义。凝固布格一盾构是当前应用较广泛的防火墙构造，本文基于一盾构床格布格改造试验，系统研究了一盾构纵向刚度及其影响因素。

试验研究共采用了六个一盾构改造试件，分别为6尺和13尺，板宽2.2m，棱块厚度6cm和12cm，用于考察改造棱块尺寸和板宽对模型一盾构纵向刚度的影响，以及计算改造的一盾构的桥形截面的轴心受力。

研究结果表明：当改造棱块厚度增大时，一盾构的纵向刚度增大，同时，当板宽增大时，一盾构的纵向刚度也增大，找出以上变量对纵向刚度的影响，提出了改造一盾构纵向刚度的计算公式。略（小于800字）

该研究旨在传递一盾构改造后的纵向刚度及其影响因素，分析出影响一盾构纵向刚度的重要因素和计算方法，以供实际工程参考。有待进一步研究的问题是改造一盾构纵向刚度随横向荷载扰动的变化规律，以及改造纵向刚度对改造前加固体系的影响等。

MIDAS在隧道施工中的应用

为了验证二次加强支护方法在隧道围岩级别较差段的支护效果，采用有限元软件建立二维数值模型，对初次支护与二次加强支护后隧道的竖向变形、支护结构中的轴力和弯矩进行对比分析。结果表明：简单的添加初次支护，隧道围岩的变形、支护结构中的轴力和弯矩较大，这支护结构安全系数不满足规范要求；二次加强支护后隧道围岩变形得到很好控制，支护结构中的轴力和弯矩大幅度减小，拱顶位移减小了7mm，仰拱位移减小7mm，支护结构中最大轴力减小了0.8MPa，最大弯矩减小了6kN·m，且分布趋于均匀，支护结构安全系数均满足规范要求。证明了二次加强支护方法的可行性以及必要性，对隧道施工起到了一定的指导意义。

标签：隧道；MIDAS；数值模拟；二次加强支护

doi：10.19311/ki.16723198.2017.02.098

1 引言

随着我国的经济高速发展，公路建设在快速的更新和发展，随之而来的隧道工程也在发生日新月异的变化，各种各样的隧道也出现在我们的面前。由于隧道工程本身具有复杂性、不确定性以及高风险性等多重特点，使得隧道工程的发展面临很大挑战。大量研究成果和施工实例表明，开挖必然会引起围岩应力重新分布，导致围岩损伤破坏，影响隧道稳定性。特别是隧道洞口段，一般埋深较浅而且往往有偏压，岩体的承载能力极地，稳定性较差，如果选择的开挖、支护方法不合理，局部围岩的坍塌是不可避免的且围岩的破坏还可能从局部影响到整体隧道的稳定性。

文献均采用数值模拟方法模拟隧道开挖与支护，模拟结果说明支护对隧道的稳定性很重要，给施工提供一定的参考价值。本文采用MIDAS大型有限元软件建立隧道数值模型，模拟研究添加初期支护与二次加强支护后隧道稳定性对比研究。结果表明，强化支护方法的重要性和二次加强支护的合理、必要性。该方法可以很好准确的预测围岩变化规律，反映真实的围岩变化特性，有利于隧道的稳定性。

2 工程背景及MIDAS建模

ANSYS系统在隧道结构计算中应用条件

浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件

摘要：在公路隧道设计与施工中，为了提前判断在开挖和支护工程中隧道的结构安全性，隧道结构计算的数值研究方法就成为了一种重要的设计依据和施工控制措施。本文提供了一种方法，即利用ansys软件模拟隧道结构在开挖个步骤中的计算模式与应用条件。

关键词：隧道结构ansys模拟

隧道的结构分析是利用工程力学原理，选取合理的介质，通过相似模型体系对其结构进行计算，具体过程一般通过两个途径来进行，其一是利用相似性理论，采取合理的相似系数，在室内通过模型试验来模拟实际的工程问题。其二是数值计算，这种方法伴随着计算机的发展有了长足的进步。目前，伴随着岩土力学的发展，再加上计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。

有限元法先将结构分解为有限的小单元，在每一个单元上，利用弹性力学、弹塑性力学等力学理论建立力学性能参数之间的关系，然后根据位移或者应力协调条件把这些小单元组合起来，求出整体结构的力学特征。因为有限元法是利用矩阵代数方法求解方程组，而矩阵代数建立的方程组非常方便与计算机的存储与求解，所以，有限元法非常适用于分析复杂的地下结构。

1模型的建立

利用ansys来模拟隧道开挖过程，有两种建模方法，一个是建

立真三维的模型，三维模型不仅可考虑围岩的流变特性，还能考虑开挖和支护的空间效应，能保证较好的计算精度。但是建模复杂，计算时间长，且费用较高。另一种建模方法是建立二维模型，即按平面应变问题来处理，隧道在长度方向的尺寸比横截面的尺寸大得多 ,在忽略掘进的空间效应及岩石流变效应的影响时 ,计算模型取为平面应变是可行的。另外，可以通过各阶段相应的初始应力释放系数来考虑开挖过程和支护时间早晚对围岩及支护受力的影响。本文采用后者建立有限元模型。

隧道施工仿真模拟与优化控制研究

隧道施工是现代建设中不可或缺的一部分。为了保证隧道施工的安全性和效率，隧道施工仿真模拟与优化控制的研究变得尤为重要。本文将探讨隧道施工仿真模拟与优化控制在不同方面的应用和挑战。

首先，隧道施工仿真模拟技术在施工过程中起到了至关重要的作用。通过利用计算机技术和数值模拟方法，可以模拟真实施工场景，并对施工过程进行可视化和精确的仿真分析。在隧道施工的初期规划阶段，仿真模拟可以帮助工程师们在施工前进行各种试验和优化，评估工程可行性和效果，减少施工风险和成本。

其次，隧道施工仿真模拟与优化控制可以提高施工工艺的效率和安全性。隧道施工中存在着许多复杂的工况和施工环境，而仿真模拟技术可以帮助工程师们预测和评估这些特殊情况下的施工效果和风险。通过对各种施工参数进行调整和优化，可以有效提高施工进度和质量，降低事故发生的可能性。例如，在爆破施工过程中，通过仿真模拟可以选择合适的爆破参数和方案，减少岩石震动对周围环境的影响。

另外，隧道施工仿真模拟与优化控制也可用于虚拟训练和应急预案的制定。通过建立真实的施工场景，并模拟各种突发情况，可以帮助施工人员提前做好应对措施。在实际施工过程中，工程师们可以通过虚拟训练来提高应对紧急情况的能力和反应速度。此外，还可以通过仿真模拟来制定更加科学和有效的应急预案，以确保隧道施工中的安全问题得到妥善解决。

然而，隧道施工仿真模拟与优化控制也存在一些挑战和困难。首先，准确地建立仿真模型需要大量的真实数据和专业知识。尤其在复杂地质条件下，需要对地质信息进行详细的调查和分析，以保证仿真模型的准确性和可靠性。其次，隧道施工本身就是一个多因素、多过程的系统，需要考虑到各种施工工艺和设备的协调和匹配。因此，如何在仿真模拟中准确地反映这些因素，是一个亟待解决的问题。此外，施工过程中的不确定性因素也会对仿真模拟的准确性造成一定的影响，需要进一步改进和优化控制方法。综上所述，隧道施工仿真模拟与优化控制的研究是施工行业中的一个重要领域。通过利用仿真模拟技术和优化控制方法，可以提高隧道施工的效率和安全性，减少施工风险和成本。但同时也面临着一些挑战和困难，需要进一步研究和改进。相信随着科技的不断进步和应用，隧道施工仿真模拟与优化控制将在未来得到更广泛的应用和发展。

螺旋驱动式掘进机模型试验相似准则及相似性

螺旋驱动式掘进机模型试验的相似准则及相似性

摘要：21世纪隧道施工技术不断发展。为克服盾构掘进机和顶管掘进机在软土中掘进时，前进推力需要依赖后方衬砌的缺点，产生了新型自行走式隧管道掘进机，文章根据相似理论对螺旋驱动式自行走隧道掘进机进行分析，推导得相似准则，并介绍了保证边界条件和初始条件一致性的措施。

关键词：隧道掘进机；相似定理；量纲分析；

中图分类号：u455文献标识码： a 文章编号：

引言

21世纪，铁路、公路、地下空间的开发利用越来越多，城市地铁隧道、市政管道、越江管道等地下管道的施工中将广泛的应用到隧道施工机械——掘进机，掘进机施工与传统的钻爆法、矿山法、新奥法施工相比：① 在护盾的保护下，衬砌施工更安全；② 掘进机施工对围岩扰动破坏小，无超挖现象，成洞质量好，产生塌方几率降低。③ 可以实现自动、远程控制[1]。

1.隧道掘进机的种类特点

隧道掘进机，是一种隧道开挖机械，利用工作面上的旋转刀具等开挖机械切削破坏工作面前方岩土层并不断推进。隧道掘进机按不同的地质条件和施工方法的不同分为不同的类型。软土地层中应用较多有盾构掘进机(shield machine)、顶管掘进机（pipe jacking

machine）；岩石地层常为岩石隧道掘进机（tbm，tunnel boring

machine）[2]。盾构掘进机在小半径急曲线施工时，施工难度较大，曲线半径过小会引起管道裂缝、管道失稳等。盾构小半径急曲线施工时，需要综合考虑超挖量、辅助工法、盾构长度、衬砌管片、土质条件等因素，一般把盾构机设计成2节或3节的形式，节与节之间设置铰接中折机构，该装置可以减少隧道的超挖量，亦可以减少作用在衬砌管片上的偏压，减少对衬砌的破坏。通过控制掘进机筒内布置的千斤顶的伸缩来控制曲线施工 [3]。

顶管掘进机是借助主顶油缸和各管道中继间的推力，把掘进机等从工作坑顶推至接收坑吊起。一般在机头后面设置中继间，该中继间由滑移钢套环和一组油泵组成，在顶进过程中，通过调整部分油泵的伸缩量纠偏；还可以在前端管节之间设置一端固定，另一端可伸缩的连接拉杆。当顶管机头进入曲线段开始起曲时，后续管节在连接拉杆、顶管顶力、侧向上压力的合力作用下自动弯曲。

隧道风速测试方法研究

引言：

一、传统测量方法

1.风速仪表测量法：

风速仪表是最常用的测量方法，包括流速计、风速计和风向仪等。这些仪器可以直接测量风速和风向，但在隧道内的测量存在以下问题：1）由于隧道内空气流动受到限制，测量值可能会受到干扰和误差。2）由于测量仪器本身的限制，隧道内复杂的气流结构难以准确测量。因此，仅依靠仪器测量可能无法获得可靠的结果。

2.风洞试验法：

风洞试验是通过模拟真实隧道内的风流环境，采用模型进行测试。这种方法可以排除隧道内其他因素的干扰，但是也存在以下问题：1）风洞试验消耗时间长、费用高，不适合现场应用。2）风洞试验难以完全模拟实际隧道的复杂风流环境，可能存在一定的误差。

二、改进测量方法

1.激光测量法：

激光可以有效测量运动物体的速度和方向，因此可以用于测量流体的速度。在隧道风速测试中，可以利用激光测量目标物体的移动速度，从而计算出风速。这种方法可以避免传统仪器的接触干扰和复杂气流结构的测量问题，提高测量准确性。

2.数值模拟方法：数值模拟方法利用计算机模拟隧道内的气流，通过数值计算得到风速分布。这种方法可以考虑复杂气流结构和多种影响因素，提高测量结果的准确性。但需要注意的是，数值模拟方法需要准确的初始和边界条件，以及对气流的物理模型和参数进行准确的设定。

三、综合应用方法

为了进一步提高隧道风速测试方法的准确性和可靠性，可以综合应用多种方法。例如，使用风速仪表进行现场测量，同时进行激光测量验证，这样可以相互验证测量结果，并纠正可能存在的误差。另外，可在实际隧道运行过程中结合数值模拟方法，从而对隧道风速进行准确测量和预测。

结论：

隧道风速测试是隧道工程中一个重要的参数，传统测量方法存在一定的局限性。针对这些问题，可以采用激光测量法和数值模拟方法进行改进，提高测量结果的准确性和可靠性。另外，综合应用多种方法可以相互验证和纠正测量结果，进一步提高测量的准确性。最终，希望通过本文的研究，能为隧道风速测试方法的改进提供一定的参考和指导。

关于隧道结构安全性能的研究分析

【摘要】对于不同的地质结构开展的地质工程是需要多方面考虑的，因为盾构隧道虽然可以减轻此处交通压力但是施工方面对于计算和设计的要求就格外严格，因为此地的土质土层容易受到外界影响而导致隧道坍塌，因此对于此工程的设计方案就要着重审核后期隧道加固和防止坍塌的手段，争取做到百年工程的口号，减少工程施工疏忽的问题而引发的安全隐患

【关键词】安全；隧道结构

本文以某隧道为工程背景，结合隧道衬砌后空洞对结构稳定性影响的模型试验结果，运用岩土隧道分析有限元软件midas软件进行有限元数值模拟，详细分析了不同位置的空洞对衬砌结构受力特点以及结构性能的变化，研究成果有助于准确把握空洞对隧道衬砌结构安全的影响，为综合评价隧道结构安全性提供可靠依据。

1、简介隧道工程背景

某隧道呈北西走向，左线长3525 m，右线长3508.89 mm，属特长隧道，采用分离式隧道结构形式。隧道主洞建筑限界净宽10.75 m，净高5.0 m，检修道净高2.5 m，道路两侧设有宽0.75 m，高30 cm的人行道。设计采用复合式衬砌，初期支护由系统锚杆、单层钢筋网、喷射混凝土、工字钢钢拱架组成，结合超前小导管，导管采用ф42×3.5热轧钢管，模筑钢筋混凝土作为二次衬砌。初衬采用c25喷射混凝土，厚度为25cm，l20b型钢拱架间距为100 cm，二次衬砌采用c25钢筋混凝土，厚度为45 cm。地貌以侵蚀构造类型为主，山坡陡峭，山脊狭窄，局部岩石裸露，部分路段围岩软弱，夹泥带、破碎带及小断层多，围岩等级为ⅳ级，进出口围岩稳定性稍差。但是在隧道施工中地质调查结果与实际地质情况有出入，导致多次塌方，对隧道的稳定性造成严重的影响。

2、建造与构造模型实验的关系

试验的目的主要是根据某隧道的地貌情况及不同位置出现空洞对隧道衬砌的结构安全的影响与分析。模型尺寸为600 mm×600 mm×100mm，模型的几何相似比取1/90，故隧道尺寸为：跨度为121 mm，洞高为108 mm，直墙高为37 mm，材料选用的是石膏、水泥为胶结材料来模拟石英岩。试验模型分为5种工况，分别是空洞位于拱顶、拱腰、边墙、拱脚和拱底，共5个模型。