ADINA在隧道开挖中数值模拟应用

围岩及支护结构的位移、应力分布变化规律是隧道开挖是否安全的评价标准。针对隧道开挖计算的复杂性，采用有限元对其建立三维数值模拟。利用ansys对隧道开挖过程进行模拟，得到支护结构的位移、应力分布变化规律。数值计算结果表明，竖向最大位移发生在拱顶处，而支护最大压应力出现在拱腰。

为分析不同地层条件下盾构法开挖隧道对土层的扰动情况,采用flac3d模拟了黏土和砂土两种地层盾构法开挖后土层的变形情况.结果表明,砂土地层中采用盾构法开挖隧道对土层扰动较大,黏土地层中扰动相对较小,基于模拟结果提出了两种土层下盾构施工要点,可供相关工程参考.

随着岩土工程规模的不断扩大、复杂性的增加以及计算参数的多样化和计算精度的提高,人们对于计算机计算能力的要求越来越高,然而单处理器无法满足这类大规模计算.从数据输入、区域分解、线性方程组的迭代求解、后处理等方面详细阐述高性能计算平台上并行有限元求解大规模岩土工程的关键问题.提出了利用mpi2的新特性进行海量数据的分段并行读入,采用parmetis软件并行地进行区域分解,实现了前处理过程的完全并行化;采用基于jacobi预处理技术的预处理共轭梯度法（pcg）进行线性方程组的并行迭代求解;采用paraview软件实现了后处理的并行可视化.在深腾7000系统上对某隧道工程的三维开挖过程进行了数值模拟,对其并行性能进行了分析和评价,验证了采用的区域分解算法和系统方程组的求解方法的可行性,并且具有较高的加速比和并行效率.

隧道开挖数值模拟过程中荷载释放率的确定——依据岩开挖和岩土力学原理，通过ansys软件对围岩级别较低的ⅳ、v级围岩开挖全过程进行三维有限元数值模拟，取开挖荷载释放率亏其位移释放率卡“州．分别得出了这两种围岩中某一断面在开挖过程中各施工步的荷载释...

收稿日期:2004-09-02 作者简介:秦建设(1973-),山西夏县人,博士生,主要从事隧道盾构施工技术研究。 文章编号:1003-5923(2005)01-0027-04 盾构隧道开挖面稳定数值模拟研究 秦建设1,尤爱菊2 (1.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098;　2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020) 摘　要:盾构隧道施工中,开挖面稳定是保证掘进顺利进行的关键,本文利用能够考虑大变形破坏的拉格 朗日有限差分计算程序,对砂土地层盾构施工中的开挖面稳定问题进行了数值模拟,并与前人离心试验研究 结果进行了比较分析,证明了数值模拟在研究盾构隧道开挖面稳定方面的可行性及其具有的优势,为盾构隧 道施工中开挖面稳定问题研究提供建议。 关键词:盾构施工;开挖面稳定;离心试验

通过对照物理模型试验，采用二维颗粒流程序（pfc2d）对不同埋深和不同密度条件下的盾构掘进过程进行数值模拟，从而分析开挖面前方土体破坏机理。首先通过研究支护力和地表沉降的变化规律，将模型箱试验结果和数值模拟结果进行对比分析，分别确定了极限支护力；利用二维颗粒流程序对土拱效应进行研究，揭示了开挖面前方土体的失稳破坏机理。结果表明，支护力和地表沉降的变化规律都可分为2个阶段，且不受埋深条件的影响；发生局部失稳破坏后，土拱继续向上发展最终导致整体失稳破坏；埋深比较小时，未能形成土拱，而埋深比较大时，滑动区与土拱区随埋深比的增大而增大。数值模拟结果与模型箱试验结果基本一致，验证了采用纵面进行颗粒流模拟的可行性，因此可利用pfc2d进行深入颗粒流模拟。

通过对照物理模型试验，采用二维颗粒流程序（pfc2d)对不同埋深和不同密度条件下的盾构掘进过程进行数值模拟，从而分析开挖面前方土体破坏机理.首先通过研究支护力和地表沉降的变化规律，将模型箱试验结果和数值模拟结果进行对比分析，分别确定了极限支护力；利用二维颗粒流程序对土拱效应进行研究，揭示了开挖面前方土体的失稳破坏机理.结果表明，支护力和地表沉降的变化规律都可分为2个阶段，且不受埋深条件的影响；发生局部失稳破坏后，土拱继续向上发展最终导致整体失稳破坏;埋深比较小时，未能形成土拱，而埋深比较大时，滑动区与土拱区随埋深比的增大而增大.数值模拟结果与模型箱试验结果基本一致，验证了采用纵面进行颗粒流模拟的可行性，因此可利用pfc2d进行深入颗粒流模拟.

结合清连高速公路白须公特大岩溶隧道施工过程,采用三维有限元软件(ansys)对白须公隧道的处治结构与隧道开挖的相互作用进行了数值模拟。以隧道开挖中处治结构和围岩稳定性为研究对象,从而分析处治结构在隧道开挖过程中的受力特性,以及隧道围岩在隧道开挖过程中的位移。通过计算结果,对处治结构在岩溶隧道中的支护效果进行了评价,采用桩-承台-单边支撑墙-联系梁的处治方式是安全可靠的。在隧道开挖过程中,开挖面附近的桩基应变、支撑墙压力都加速变大,随后逐渐稳定,说明处治结构承担了一部分围岩压力,在岩溶隧道施工开挖中发挥了重要作用。分析结果与工程实测数据比较吻合,可为隧道穿越大型溶洞提供设计和施工方面的借鉴和参考。

以广佛肇高速公路黎壁山隧道为工程实例,建立三维数值分析模型,对隧道的开挖过程分别进行常规数值模拟和动态损伤数值模拟,从应力、位移、塑性破坏区分布特点以及损伤特性等方面进行对比分析。结合监测数据,对比拱顶沉降和周边收敛的监测值与数值模拟值,进一步验证了动态损伤数值模拟的可行性。

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现有的盾构隧道开挖模拟,都是将掌子面上的土舱压力设定为定值。事实上,隧道掌子面上的土舱压力时刻在变。结合北京轨道交通l8盾构隧道开挖的工程实例,基于box-muller方法,将均匀分布随机数变换为正态分布随机数,并将其作为波动的土舱压力施加在数值模型上,以分析波动的土舱压力对盾构施工引起地表沉降的影响。

为探索地铁穿越地裂缝时隧道围岩与衬砌结构的变形和应力变化规律,本文以实际工程为基础,通过合理简化土层,采用理想弹塑性模型,通过控制生死单元的方法对盾构隧道进行分步开挖数值模拟。获得施工过程中围岩与衬砌的位移与应力。结果表明,地裂缝是隧道开挖时最危险的部位,对隧道的破坏起决定性作用。在裂缝处围岩洞室沉降出现了较大变化,易造成隧道的坍塌;在地裂缝处隧道两侧围岩与管片衬砌两侧均形成了应力集中,易使隧道洞室侧壁与管片衬砌发生剪切破坏。最后提出了保证地裂缝处围岩稳定性的处理方法,为同类工程提供参考。

文章结合武宁一吉安高速公路隧道工程，以ⅳ级围岩为对象，采取模型试验和数值模拟相结合的方法，分别对拱顶上方有、无断层两种情况下隧道开挖引起的同岩塌方破坏的渐进性过程以及岩体内部的应力演化规律开展研究，从而为隧道塌方事故的预防和支护结构设计提供借鉴和参考。研究结果表明：（1）隧道开挖后，拱腰以下岩体往往因应力集中程度较高而率先剪切破坏；（2）当有断层存在时，隧道开挖使得断层下盘岩体处于悬挑状态而容易出现拉剪破坏；（3）隧道开挖主要对自两侧拱脚向上与水平面成45°＋φ／2范围内的岩体有影响，而塌落破坏的岩体只占此影响区域的一小部分；（4）断层的存在使得拱顶上方岩体径向压力在隧道开挖后更易于ⅲ现降低，且应力降低范围相对无断层时的要大；（5）当无断层存在时，拱顶上方岩体切向应力集中是伴随着岩体的开裂和塌落而逐步由隧道周边向外侧发展的，而当有断层存在时，拱顶上方切向应力集中则出现在距拱顶更远的位置。

为探索地铁穿越地裂缝时隧道围岩与衬砌结构的变形和应力变化规律,本文以实际工程为基础,通过合理简化土层,采用理想弹塑性模型,通过控制生死单元的方法对盾构隧道进行分步开挖数值模拟。获得施工过程中围岩与衬砌的位移与应力。结果表明,地裂缝是隧道开挖时最危险的部位,对隧道的破坏起决定性作用。在裂缝处围岩洞室沉降出现了较大变化,易造成隧道的坍塌;在地裂缝处隧道两侧围岩与管片衬砌两侧均形成了应力集中,易使隧道洞室侧壁与管片衬砌发生剪切破坏。最后提出了保证地裂缝处围岩稳定性的处理方法,为同类工程提供参考。

盾构隧道施工中,开挖面稳定是保证掘进顺利进行的关键,本文利用能够考虑大变形破坏的拉格朗日有限差分计算程序,对砂土地层盾构施工中的开挖面稳定问题进行了数值模拟,并与前人离心试验研究结果进行了比较分析,证明了数值模拟在研究盾构隧道开挖面稳定方面的可行性及其具有的优势,为盾构隧道施工中开挖面稳定问题研究提供建议。

以广佛肇高速公路黎壁山隧道为工程实例,建立三维数值分析模型,对隧道的开挖过程分别进行常规数值模拟和动态损伤数值模拟,从应力、位移、塑性破坏区分布特点以及损伤特性等方面进行对比分析.结合监测数据,对比拱顶沉降和周边收敛的监测值与数值模拟值,进一步验证了动态损伤数值模拟的可行性.

针对西北地区某黄土隧道浅埋开挖现象,结合现场工程地质勘察和岩石力学试验,并运用有限单元法,使用mi-das/gts数值模拟软件,对其进行了详细的分析和研究。通过研究,对该隧道围岩位移和应力变化规律做出了客观评价,为隧道下一步的施工方案、监测方案的制定提供决策依据,对实际施工有着重要的指导意义。

为解决建筑物在煤层开采过程中受地表移动变形影响的问题,采用有限元分析软件adina,选取钢结构建筑厂房作为研究对象,利用覆岩参数建立几何模型,模拟采煤过程中的地表移动对上部建筑物—钢结构厂房的影响.结果表明：钢结构厂房柱的变形主要受垂直方向变形量影响,梁受水平方向变形量影响;在运用adina软件模拟过程中,根据具体情况适当简化模型,将各岩层看作厚度均匀、并且不存在断层等造成采空区不连续的因素,得出的变形结果与实际观测值比较差距不大,可以反映工程实际,证明有限元软件adina在模拟建筑物受开采沉陷影响的领域是可行的.

以正在修建的映日公路改建工程耿达隧道为背景,利用隧道现场监控量测所得的围岩及支护间压力量测数据,结合有限单元法对隧道衬砌结构的受力情况进行数值模拟分析,对隧道安全性作出评价,使之有助于隧道的设计与施工。

隧道的开挖与支护是涉及多个因素的复杂过程,利用ansys软件对其进行数值模拟,分析隧道围岩在不同参数的复合式衬砌下的应力、位移变化,以及衬砌体自身的内力状态。运用强度折减法计算出不同工况下隧道围岩稳定安全系数,以研究锚杆对隧道围岩的加固作用和锚杆直径的变化对围岩稳定产生的影响;在二次衬砌受到稳定围岩荷载的条件下,运用数值计算方法计算各种厚度条件下衬砌的安全系数,探讨二次衬砌厚度变化与其所引起的自身内力状态以及自身的安全系数有着怎样的关系。模拟分析取得了较好的效果,可为类似工程实践提供参考与指导。

针对无锡地铁2号线靖海公园站至广益新城站区间盾构穿越无锡市水厂两个清水库的特例,运用数值仿真软件hypermesh和有限元软件abaqus,对正穿与侧穿及双线不同穿越次序工况下盾构掘进穿越清水库过程中地表变形以及水库内部结构受力影响情况进行了数值模拟分析和研究,得出盾构正穿对清水库的影响大于侧穿的结论,并对盾构穿越类似建筑物双线施工次序的决策提供了理论参考。掘进结果证明了所选方案的正确性。

公路隧道施工中控制隧道围岩在开挖后的变形,避免发生过大变形与破坏,为隧道二次衬砌争取时间是隧道施工中的关键问题。本文采用有限元数值模拟方法,模拟分析某一公路隧道的施工开挖过程,研究在不同的工况条件下,隧道围岩的稳定性,根据分析结果为隧道施工选择了合理的开挖施工方法,隧道典型断面的监测结果表明采用的施工方法能够满足开挖施工的安全及进度要求。