ADINA在隧道開挖中數(shù)值模擬應(yīng)用

圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力分布變化規(guī)律是隧道開挖是否安全的評價標(biāo)準(zhǔn)。針對隧道開挖計算的復(fù)雜性，采用有限元對其建立三維數(shù)值模擬。利用ansys對隧道開挖過程進(jìn)行模擬，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力分布變化規(guī)律。數(shù)值計算結(jié)果表明，豎向最大位移發(fā)生在拱頂處，而支護(hù)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰。

為分析不同地層條件下盾構(gòu)法開挖隧道對土層的擾動情況,采用flac3d模擬了黏土和砂土兩種地層盾構(gòu)法開挖后土層的變形情況.結(jié)果表明,砂土地層中采用盾構(gòu)法開挖隧道對土層擾動較大,黏土地層中擾動相對較小,基于模擬結(jié)果提出了兩種土層下盾構(gòu)施工要點,可供相關(guān)工程參考.

隨著巖土工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大、復(fù)雜性的增加以及計算參數(shù)的多樣化和計算精度的提高,人們對于計算機(jī)計算能力的要求越來越高,然而單處理器無法滿足這類大規(guī)模計算.從數(shù)據(jù)輸入、區(qū)域分解、線性方程組的迭代求解、后處理等方面詳細(xì)闡述高性能計算平臺上并行有限元求解大規(guī)模巖土工程的關(guān)鍵問題.提出了利用mpi2的新特性進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的分段并行讀入,采用parmetis軟件并行地進(jìn)行區(qū)域分解,實現(xiàn)了前處理過程的完全并行化;采用基于jacobi預(yù)處理技術(shù)的預(yù)處理共軛梯度法（pcg）進(jìn)行線性方程組的并行迭代求解;采用paraview軟件實現(xiàn)了后處理的并行可視化.在深騰7000系統(tǒng)上對某隧道工程的三維開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,對其并行性能進(jìn)行了分析和評價,驗證了采用的區(qū)域分解算法和系統(tǒng)方程組的求解方法的可行性,并且具有較高的加速比和并行效率.

隧道開挖數(shù)值模擬過程中荷載釋放率的確定——依據(jù)巖開挖和巖土力學(xué)原理，通過ansys軟件對圍巖級別較低的ⅳ、v級圍巖開挖全過程進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，取開挖荷載釋放率虧其位移釋放率卡“州．分別得出了這兩種圍巖中某一斷面在開挖過程中各施工步的荷載釋...

收稿日期:2004-09-02 作者簡介:秦建設(shè)(1973-),山西夏縣人,博士生,主要從事隧道盾構(gòu)施工技術(shù)研究。 文章編號:1003-5923(2005)01-0027-04 盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定數(shù)值模擬研究 秦建設(shè)1,尤愛菊2 (1.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京210098;　2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020) 摘　要:盾構(gòu)隧道施工中,開挖面穩(wěn)定是保證掘進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵,本文利用能夠考慮大變形破壞的拉格 朗日有限差分計算程序,對砂土地層盾構(gòu)施工中的開挖面穩(wěn)定問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與前人離心試驗研究 結(jié)果進(jìn)行了比較分析,證明了數(shù)值模擬在研究盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定方面的可行性及其具有的優(yōu)勢,為盾構(gòu)隧 道施工中開挖面穩(wěn)定問題研究提供建議。 關(guān)鍵詞:盾構(gòu)施工;開挖面穩(wěn)定;離心試驗

通過對照物理模型試驗，采用二維顆粒流程序（pfc2d）對不同埋深和不同密度條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析開挖面前方土體破壞機(jī)理。首先通過研究支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律，將模型箱試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別確定了極限支護(hù)力；利用二維顆粒流程序?qū)ν凉靶?yīng)進(jìn)行研究，揭示了開挖面前方土體的失穩(wěn)破壞機(jī)理。結(jié)果表明，支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律都可分為2個階段，且不受埋深條件的影響；發(fā)生局部失穩(wěn)破壞后，土拱繼續(xù)向上發(fā)展最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞；埋深比較小時，未能形成土拱，而埋深比較大時，滑動區(qū)與土拱區(qū)隨埋深比的增大而增大。數(shù)值模擬結(jié)果與模型箱試驗結(jié)果基本一致，驗證了采用縱面進(jìn)行顆粒流模擬的可行性，因此可利用pfc2d進(jìn)行深入顆粒流模擬。

通過對照物理模型試驗，采用二維顆粒流程序（pfc2d)對不同埋深和不同密度條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析開挖面前方土體破壞機(jī)理.首先通過研究支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律，將模型箱試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別確定了極限支護(hù)力；利用二維顆粒流程序?qū)ν凉靶?yīng)進(jìn)行研究，揭示了開挖面前方土體的失穩(wěn)破壞機(jī)理.結(jié)果表明，支護(hù)力和地表沉降的變化規(guī)律都可分為2個階段，且不受埋深條件的影響；發(fā)生局部失穩(wěn)破壞后，土拱繼續(xù)向上發(fā)展最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞;埋深比較小時，未能形成土拱，而埋深比較大時，滑動區(qū)與土拱區(qū)隨埋深比的增大而增大.數(shù)值模擬結(jié)果與模型箱試驗結(jié)果基本一致，驗證了采用縱面進(jìn)行顆粒流模擬的可行性，因此可利用pfc2d進(jìn)行深入顆粒流模擬.

結(jié)合清連高速公路白須公特大巖溶隧道施工過程,采用三維有限元軟件(ansys)對白須公隧道的處治結(jié)構(gòu)與隧道開挖的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。以隧道開挖中處治結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性為研究對象,從而分析處治結(jié)構(gòu)在隧道開挖過程中的受力特性,以及隧道圍巖在隧道開挖過程中的位移。通過計算結(jié)果,對處治結(jié)構(gòu)在巖溶隧道中的支護(hù)效果進(jìn)行了評價,采用樁-承臺-單邊支撐墻-聯(lián)系梁的處治方式是安全可靠的。在隧道開挖過程中,開挖面附近的樁基應(yīng)變、支撐墻壓力都加速變大,隨后逐漸穩(wěn)定,說明處治結(jié)構(gòu)承擔(dān)了一部分圍巖壓力,在巖溶隧道施工開挖中發(fā)揮了重要作用。分析結(jié)果與工程實測數(shù)據(jù)比較吻合,可為隧道穿越大型溶洞提供設(shè)計和施工方面的借鑒和參考。

以廣佛肇高速公路黎壁山隧道為工程實例,建立三維數(shù)值分析模型,對隧道的開挖過程分別進(jìn)行常規(guī)數(shù)值模擬和動態(tài)損傷數(shù)值模擬,從應(yīng)力、位移、塑性破壞區(qū)分布特點以及損傷特性等方面進(jìn)行對比分析。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù),對比拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)測值與數(shù)值模擬值,進(jìn)一步驗證了動態(tài)損傷數(shù)值模擬的可行性。

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現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道開挖模擬,都是將掌子面上的土艙壓力設(shè)定為定值。事實上,隧道掌子面上的土艙壓力時刻在變。結(jié)合北京軌道交通l8盾構(gòu)隧道開挖的工程實例,基于box-muller方法,將均勻分布隨機(jī)數(shù)變換為正態(tài)分布隨機(jī)數(shù),并將其作為波動的土艙壓力施加在數(shù)值模型上,以分析波動的土艙壓力對盾構(gòu)施工引起地表沉降的影響。

為探索地鐵穿越地裂縫時隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化規(guī)律,本文以實際工程為基礎(chǔ),通過合理簡化土層,采用理想彈塑性模型,通過控制生死單元的方法對盾構(gòu)隧道進(jìn)行分步開挖數(shù)值模擬。獲得施工過程中圍巖與襯砌的位移與應(yīng)力。結(jié)果表明,地裂縫是隧道開挖時最危險的部位,對隧道的破壞起決定性作用。在裂縫處圍巖洞室沉降出現(xiàn)了較大變化,易造成隧道的坍塌;在地裂縫處隧道兩側(cè)圍巖與管片襯砌兩側(cè)均形成了應(yīng)力集中,易使隧道洞室側(cè)壁與管片襯砌發(fā)生剪切破壞。最后提出了保證地裂縫處圍巖穩(wěn)定性的處理方法,為同類工程提供參考。

文章結(jié)合武寧一吉安高速公路隧道工程，以ⅳ級圍巖為對象，采取模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別對拱頂上方有、無斷層兩種情況下隧道開挖引起的同巖塌方破壞的漸進(jìn)性過程以及巖體內(nèi)部的應(yīng)力演化規(guī)律開展研究，從而為隧道塌方事故的預(yù)防和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。研究結(jié)果表明：（1）隧道開挖后，拱腰以下巖體往往因應(yīng)力集中程度較高而率先剪切破壞；（2）當(dāng)有斷層存在時，隧道開挖使得斷層下盤巖體處于懸挑狀態(tài)而容易出現(xiàn)拉剪破壞；（3）隧道開挖主要對自兩側(cè)拱腳向上與水平面成45°＋φ／2范圍內(nèi)的巖體有影響，而塌落破壞的巖體只占此影響區(qū)域的一小部分；（4）斷層的存在使得拱頂上方巖體徑向壓力在隧道開挖后更易于ⅲ現(xiàn)降低，且應(yīng)力降低范圍相對無斷層時的要大；（5）當(dāng)無斷層存在時，拱頂上方巖體切向應(yīng)力集中是伴隨著巖體的開裂和塌落而逐步由隧道周邊向外側(cè)發(fā)展的，而當(dāng)有斷層存在時，拱頂上方切向應(yīng)力集中則出現(xiàn)在距拱頂更遠(yuǎn)的位置。

為探索地鐵穿越地裂縫時隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化規(guī)律,本文以實際工程為基礎(chǔ),通過合理簡化土層,采用理想彈塑性模型,通過控制生死單元的方法對盾構(gòu)隧道進(jìn)行分步開挖數(shù)值模擬。獲得施工過程中圍巖與襯砌的位移與應(yīng)力。結(jié)果表明,地裂縫是隧道開挖時最危險的部位,對隧道的破壞起決定性作用。在裂縫處圍巖洞室沉降出現(xiàn)了較大變化,易造成隧道的坍塌;在地裂縫處隧道兩側(cè)圍巖與管片襯砌兩側(cè)均形成了應(yīng)力集中,易使隧道洞室側(cè)壁與管片襯砌發(fā)生剪切破壞。最后提出了保證地裂縫處圍巖穩(wěn)定性的處理方法,為同類工程提供參考。

盾構(gòu)隧道施工中,開挖面穩(wěn)定是保證掘進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵,本文利用能夠考慮大變形破壞的拉格朗日有限差分計算程序,對砂土地層盾構(gòu)施工中的開挖面穩(wěn)定問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與前人離心試驗研究結(jié)果進(jìn)行了比較分析,證明了數(shù)值模擬在研究盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定方面的可行性及其具有的優(yōu)勢,為盾構(gòu)隧道施工中開挖面穩(wěn)定問題研究提供建議。

以廣佛肇高速公路黎壁山隧道為工程實例,建立三維數(shù)值分析模型,對隧道的開挖過程分別進(jìn)行常規(guī)數(shù)值模擬和動態(tài)損傷數(shù)值模擬,從應(yīng)力、位移、塑性破壞區(qū)分布特點以及損傷特性等方面進(jìn)行對比分析.結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù),對比拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)測值與數(shù)值模擬值,進(jìn)一步驗證了動態(tài)損傷數(shù)值模擬的可行性.

針對西北地區(qū)某黃土隧道淺埋開挖現(xiàn)象,結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察和巖石力學(xué)試驗,并運(yùn)用有限單元法,使用mi-das/gts數(shù)值模擬軟件,對其進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。通過研究,對該隧道圍巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律做出了客觀評價,為隧道下一步的施工方案、監(jiān)測方案的制定提供決策依據(jù),對實際施工有著重要的指導(dǎo)意義。

為解決建筑物在煤層開采過程中受地表移動變形影響的問題,采用有限元分析軟件adina,選取鋼結(jié)構(gòu)建筑廠房作為研究對象,利用覆巖參數(shù)建立幾何模型,模擬采煤過程中的地表移動對上部建筑物—鋼結(jié)構(gòu)廠房的影響.結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)廠房柱的變形主要受垂直方向變形量影響,梁受水平方向變形量影響;在運(yùn)用adina軟件模擬過程中,根據(jù)具體情況適當(dāng)簡化模型,將各巖層看作厚度均勻、并且不存在斷層等造成采空區(qū)不連續(xù)的因素,得出的變形結(jié)果與實際觀測值比較差距不大,可以反映工程實際,證明有限元軟件adina在模擬建筑物受開采沉陷影響的領(lǐng)域是可行的.

以正在修建的映日公路改建工程耿達(dá)隧道為背景,利用隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測所得的圍巖及支護(hù)間壓力量測數(shù)據(jù),結(jié)合有限單元法對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,對隧道安全性作出評價,使之有助于隧道的設(shè)計與施工。

隧道的開挖與支護(hù)是涉及多個因素的復(fù)雜過程,利用ansys軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬,分析隧道圍巖在不同參數(shù)的復(fù)合式襯砌下的應(yīng)力、位移變化,以及襯砌體自身的內(nèi)力狀態(tài)。運(yùn)用強(qiáng)度折減法計算出不同工況下隧道圍巖穩(wěn)定安全系數(shù),以研究錨桿對隧道圍巖的加固作用和錨桿直徑的變化對圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生的影響;在二次襯砌受到穩(wěn)定圍巖荷載的條件下,運(yùn)用數(shù)值計算方法計算各種厚度條件下襯砌的安全系數(shù),探討二次襯砌厚度變化與其所引起的自身內(nèi)力狀態(tài)以及自身的安全系數(shù)有著怎樣的關(guān)系。模擬分析取得了較好的效果,可為類似工程實踐提供參考與指導(dǎo)。

針對無錫地鐵2號線靖海公園站至廣益新城站區(qū)間盾構(gòu)穿越無錫市水廠兩個清水庫的特例,運(yùn)用數(shù)值仿真軟件hypermesh和有限元軟件abaqus,對正穿與側(cè)穿及雙線不同穿越次序工況下盾構(gòu)掘進(jìn)穿越清水庫過程中地表變形以及水庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力影響情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和研究,得出盾構(gòu)正穿對清水庫的影響大于側(cè)穿的結(jié)論,并對盾構(gòu)穿越類似建筑物雙線施工次序的決策提供了理論參考。掘進(jìn)結(jié)果證明了所選方案的正確性。

公路隧道施工中控制隧道圍巖在開挖后的變形,避免發(fā)生過大變形與破壞,為隧道二次襯砌爭取時間是隧道施工中的關(guān)鍵問題。本文采用有限元數(shù)值模擬方法,模擬分析某一公路隧道的施工開挖過程,研究在不同的工況條件下,隧道圍巖的穩(wěn)定性,根據(jù)分析結(jié)果為隧道施工選擇了合理的開挖施工方法,隧道典型斷面的監(jiān)測結(jié)果表明采用的施工方法能夠滿足開挖施工的安全及進(jìn)度要求。