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。

针对大跨度软弱围岩隧道自身稳定特点,分析了影响其稳定的主要因素,在此基础上选取对软弱围岩隧道稳定性影响较大的开挖方式这一因素,运用大型有限元程序anysys,对安徽芜湖龙山隧道进行数值模拟,分析了上半断面超前法、两侧超前施工法和中壁crd法3种不同施工方案下隧道围岩的应力场和位移场,得到了一些有益的结论。

为研究爆破振动对隧道开挖的影响,采用数值模拟的方法得到了全断面爆破开挖时的压力场和速度场。分析结果表明:最大振动速度在拱顶的垂直方向和起拱处的水平方向上出现,因此该处的围岩也最容易发生破坏;爆破产生的径向方向的应力大于切向方向的应力;隧道围岩首先是承受压力,而后承受拉力;拱顶垂直方向的振动速度远大于直墙方向,而拱顶的水平振动速度很小,这对于具有水平层理的岩体是十分不利的,容易导致层间的分离和破坏。。数值模拟结果对于指导工程设计和工程实践具有重要的意义。

以深圳安托山安峦公馆基坑爆破开挖工程为研究对象,采用数值模拟方法分析了爆破振动传播途径中距离爆源不同距离处的振动速度,以及大断面、小断面隧道衬砌振动速度的分布情况。结果表明：在距离地铁40m以内爆破施工时应采取减震措施;地铁隧道迎爆侧的水平和竖向振动速度要大于非迎爆侧,隧道衬砌最大振动速度在迎爆侧拱顶和拱脚,爆破施工过程中应对隧道迎爆侧重点监测和防护;隧道断面对水平和竖向振动速度均有放大作用。

由于盾构隧道掘进的特殊施工工艺,使开挖模拟的数值计算存在着诸多难以量化的因素。采用应力释放法模拟盾构隧道的开挖,在衬砌和土体之间设置等代层单元模拟盾构施工的影响,求得竣工期的应力场和位移场。在静力计算基础上运用动力有限元时程分析法,采用粘性人工边界条件,分析了隧道衬砌在地震过程中的最大响应。其结果和规律可为一般的盾构隧道地震反应分析提供借鉴。

随着城市轨道交通建设迅猛发展,加上城市土地和空间资源的有限性,使得新建基坑骑跨于既有营运隧道的情形时有发生。文章通过三维有限差分软件flac3d建立三维基坑模型,研究基坑在分层分块开挖过程中基坑围护结构、混凝土支撑和抗拔桩的力学特性,分析探讨下卧隧道隆起变形规律。数值模拟结果表明,基坑开挖完成后坑底隆起出现2个峰值,与周边建筑物的影响有关；基坑围护结构弯矩最大出现在基坑的中部,与其水平位移最大值出现的位置相一致；文中实例支撑的轴力以及下卧隧道的隆起均符合控制要求。文中模拟的数值结果以及分析的变化规律可以为今后类似工程提供参考。