数值分析在隧道支护中的应用

复杂条件下隧道支护结构稳定性分析摘要：近年来，随着我国交通运输业的蓬勃发展，多数隧道工程需要在复杂的地质条件下施工，这对隧道施工技术提出了更高的标准和要求。

在复杂地质条件下，隧道支护结构的稳定性在很大程度上决定着隧道施工的质量和安全。

本文讨论了在复杂地质条件下，如何利用有限元模型分析隧道支护的稳定性。

怎样才能确保由于复杂地质条件下，对隧道支护结构的稳定性的保护，是本文研究的关键所在。

关键词：隧道；复杂条件；支护结构；稳定性前言支护设施的可持续性是影响和阻碍隧道建设的主要问题。

如何通过适当的支护来控制隧道的荷载分布，使围岩承载力最大化，我们面临的一个重要问题是如何确保围岩与支护体系的共同承载作用，本文结合具体工程，应分析复杂地质条件下支护隧道结构的稳定性。

一、工程概况公路工程需要大面积隧道开挖。

本工程地质环境复杂，隧道穿越区岩石类型多。

上覆土为碎石土、崩坡积块石，位于隧道进口浅埋段。

隧道最大埋深880m，大型暗挖隧道围岩主要成分为灰岩和白云质灰岩。

沉积岩的物理参数为：灰岩中泊松系数=0.19，粘着系数C=4.0MPa，弹性模量E=8531MPa，内摩擦角=34.6°，白云岩中泊松系数0.24，粘附系数C=1.6MPa，弹性模量E=14003MPa，内摩擦角39.8°，沉积岩等级为四级。

二、隧道支护结构的主要测量方法目前，我国隧道工程的施工和设计中，主要采用现场监测的方法，然后采用反分析法计算岩体参数和原岩应力。

最后，运用经验分析方法对超前支护的安全机理进行了预测，并对隧道结构的最终稳定性进行了预测。

由于隧道内地下作业材料的复杂性，包括环境地质因素、结构因素、施工过程控制水平、隧道施工能力和工程量，对岩石防护结构的研究只能停留在技术理论的简单阶段，停留在单体实体分析领域，这只是一种理论研究工具和广泛的工程实践经验。

在设计和施工中的纯应用力学问题，数学理论是行不通的。

必须在系统论的指导下，从隧道实际情况出发，依靠原型或模型的观测数据和反馈理论与实践。

基于数值模拟的隧道施工围岩稳定性分析发表时间：2019-02-18T15:00:12.290Z 来源：《基层建设》2018年第36期作者：刘兰香[导读] 摘要：本课题以攀大高宝鼎1号隧道为工程依托，通过对现场监测的变形以及压力数据进行反分析，得到围岩的物理力学参数。

铁正检测科技有限公司山东济南 250014摘要：本课题以攀大高宝鼎1号隧道为工程依托，通过对现场监测的变形以及压力数据进行反分析，得到围岩的物理力学参数。

并基于FLAC3D数值模拟软件，建立数值计算模型，借助sufer绘图软件绘制安全系数等值线，在不同围岩级别下从位移场、塑性区和安全系数等值线分布三方面对隧道稳定性作出定量和定性评价，所得结论对指导现场施工具有一定的理论价值。

关键词：围岩；FLAC3D数值模拟；稳定性；安全系数1．引言随着社会与科技的不断进步，我国已进入交通运输飞速发展的黄金时期。

我国隧道工程的建设规模与速度得到空前的发展，地下空间的开发与利用已成为时代主题。

近几年各大城市纷纷开工建设过江、跨海长大隧道，无疑把中国隧道推上新的台阶，与此同时，伴随浮现的是一系列复杂的地质条件和亟待解决的施工难题。

而保证施工安全与工程质量的重要因素就是是否满足维持围岩的稳定性，减小围岩的扰动效应，增大围岩的扰动抗力，使围岩处于合适的动态平衡范围之内。

本文在前人的研究基础上，结合实际施工工况和设计施工参数对宝鼎1号隧道的开挖支护进行数值模拟，并从围岩位移场、塑性区分布状态和安全系数等值线三方面对围岩稳定性进行分析，所得结论可对现场施工和合理的支护设计具有参考价值。

2．工程概况宝鼎1号隧道设计为双向分离式越岭隧道，左洞进、出口桩号：ZK9+383~zk14+467，全长5084m，设计路面标高1355.38m~1476.22m，右洞进、出口桩号：K9+377~K14+464，全长5087m，设计路面标高1355.24~1476.17m，纵坡为2.4%，为单向坡，向进口倾斜，隧道最大埋深约617m。

隧道及地下工程结构设计计算方法与应用隧道及地下工程结构设计计算方法与应用是地下工程领域的重要内容，它涉及地下结构的力学性质、强度、稳定性、变形等方面，是地下工程设计中不可或缺的一环。

在地下隧道工程中，结构设计计算是确保工程安全、稳定和经济的重要条件之一。

隧道及地下工程结构设计计算方法主要包括有限元分析、离散元分析、动力弹塑性分析、地下水流动分析、材料力学性能分析等方面。

其中，有限元分析是一种广泛应用于隧道及地下工程结构设计计算中的数值分析方法，它能够通过对工程结构进行离散化处理，利用有限元法求解结构的受力与变形情况，从而为工程设计提供可靠的依据。

在地下工程结构设计计算中，隧道工程的承载、抗弯、抗剪、抗风、结构变形等性能都需要进行计算和分析。

首先是隧道工程的承载性能设计，它需考虑地下结构的受拉、受压、受弯和扭转等力学性质，以确定结构的截面尺寸、钢筋配筋等参数；其次是隧道工程的抗震性能设计，根据地震作用力求解结构的地震响应，确定结构的抗震设计参数；另外，还需对结构的变形和稳定性能进行计算和分析，包括地下水流动对结构的影响、地下岩土对结构的作用等。

隧道及地下工程结构设计计算方法的应用是隧道工程设计的核心内容之一。

通过计算方法的应用，可以对地下工程结构的力学性质、强度、稳定性和变形等进行准确的评估和分析，为工程设计提供可靠的依据。

例如，在地下隧道工程设计中，通过有限元分析和离散元分析等方法，可以对隧道结构在不同荷载作用下的应力、变形、破坏等进行计算和分析；通过动力弹塑性分析，可以评估地震作用下隧道结构的抗震性能；通过地下水流动分析，可以确定隧道结构在地下水压力作用下的稳定性。

总之，隧道及地下工程结构设计计算方法与应用是地下工程设计中的重要内容，它直接影响到工程的安全、稳定和经济。

在地下工程领域，我们需要不断探索和完善设计计算方法，提高计算准确度和可靠性，为地下工程的设计、施工和运营提供更好的技术支持。

山岭隧道地下水压力计算与数值分析摘要：随着路网向山区的拓展，线路标准的提升，特别是高速铁路和高速公路大规模的修建，需要修建大量的“深”、“长”、“大”山岭隧道及江、河、海底隧道。

在山岭隧道的修建过程中，经常会遇到地质条件复杂的地层，有时须穿越高水压富水地区，如渝怀铁路圆梁山隧道、锦屏输水隧洞。

在水下隧道修建过程中，地下水问题更是突出，如日本青函隧道、英法海底铁路隧道、厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道。

本文将对隧道衬砌水压力荷载进行讨论。

关键词：隧道；压力；荷载1衬砌水压力问题1.1隧道规范对水压力的考虑国内较早提出衬砌水压力荷载问题的主要集中在水工隧洞界，相比水工部门而言，交通部门对隧道水荷载问题认识水平和研究深度均存在明显的差距。

随着人们对地下水与隧址周边生态环境密切相关的认识不断深入，对隧道工程中地下水处治原则进行了深入的思考，在渝怀铁路的建设中，铁道部第二勘察设计院提出隧道地下水处治的“限量排放”新理念。

至此，隧道工程水压力荷载问题也就完全凸现出来了。

在隧道设计中，各种规范对水压力荷载计算的规定有所不同：（1）地铁设计规范（GB50157-2003）用盾构法修建的地铁隧道采用全堵方式，通过衬砌管片接头处的密封装置，将地下水完全封堵在衬砌背后。

（2）铁路隧道设计规范（TB10003-2001）用矿山法修建的山岭隧道采用排导方式，通常通过设置在衬砌背后的透水垫层、盲沟或排水管等将围岩中的地下水引到设置在衬砌墙脚的出水口排出。

（3）公路隧道设计规范（JTGD70-2004）该规范提到“当隧道位于常水位以下，又不宜排泄时，隧道衬砌应该采用抗水压衬砌。

隧道防排水应遵循‘防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理’的原则”，但对如何考虑衬砌水压力没有给出明确的方法。

1.2水压力计算方法目前，隧道衬砌水压力的计算方法主要可以归纳成以下3个方面。

1.2.1折減系数法所谓水压力折减系数，就是指作用在衬砌上的外水压力水头与地下水位线相对于隧道中心的高度之比。

1.工程概况1.1概况BENTONG 3# TUNNEL为双线单洞隧道，隧道起止里程CH482+217-CH482+839，隧道全长622m，隧道纵坡为-3‰。

最大埋深为72m，最小埋深为1.49m。

围岩等级按Q值分级，本隧道围岩主要包括Q≤0.1、1＜Q≤10两个个等级，其中1＜Q≤10级围岩段长度225m，所占比例为36.2%； Q≤0.1级围岩长度为343m，所占比例为55.1%。

明挖段长度54m，占比8.7%。

CH482+315-CH482+375段为偏压浅埋冲沟段，隧道埋深仅为1.49m，施工安全风险大，设计采用CRD法进行开挖，采用“Φ89mm洞身中管棚+Φ42mm小导管”超前支护和“I20a+格栅”双层钢架初支加强支护方案。

进出口端洞门均为斜切式洞门。

隧道洞口段超前支护形式均为大管棚+小导管支护，管棚为Φ108*5mm的无缝钢管，小导管为Φ42*3.5mm的无缝钢管。

Q≤0.1级围岩的主要开挖形式为三台阶加临时横撑法、三台阶法和CRD法，1＜Q≤10级围岩段主要开挖方法为台阶法。

图1-1 隧道地层1.2工程与水文地质隧址区地层主要为第四系上更新统(Q3el+dl)砂砾石土、粉质粘土，下伏地层为泥盆纪(D)砂岩，产状为147°∠64°。

粉质粘土：黄褐色，硬塑状，土质不均匀，含有大量砾石。

中砂：棕黄色，细圆形砾石土，灰褐色，密实而饱和。

砂岩：灰褐色，全风化~中等风化，节理裂隙发育，岩体较为破碎。

隧道洞身主要穿越强风化砂岩地层。

隧道范围内有地表水出露，地下水以第四纪孔隙、潜水和基岩裂隙为主。

隧道围岩裂隙发育，受雨季地表水入渗，涌水量可能会增加。

正常涌水量为682.4 (m3/D)，最大涌水量为9778.1 (m3/D)。

1.3不良施工条件（1）围岩级别及工法变更频繁隧址区上覆坡残积粉质粘土，下伏砂岩泥岩互层、砾岩。

全隧主要以Ⅲ、Ⅴ级围岩为主，且全线不同级别围岩交替变化频繁，主要施工工法为三台阶加临时横撑、台阶法工法转换较多，围岩变形失稳、坍塌风险较高。

隧道开挖的数值分析摘要：随着城市范围的日益扩大，地铁使用盾构进行隧道开挖的工程数量日渐增多。

隧道开挖与支护工程是一个多步骤加载、卸载的复杂过程。

用有限元方法来模拟这个隧道开挖以及衬砌支护过程，计算得到最后的地表变形，隧道开挖面的应力变形以及衬砌本身的受力特点及变形。

本文采用有限元程序ABAQUS来进行数值分析。

在有限元值模拟过程中土体的本构模型采取无剪胀的摩尔-库仑模型；用初始应力提取法来完成初始地应力平衡；将开挖土体的模量衰减来模拟土体的在衬砌完成前的部分应力释放。

计算结果表明地表沉降(Y向)变形最大值出现在隧道中心线位置，地表变形(X向)的峰值出现在隧道侧边区域内。

其次，衬砌的支撑作用十分明显，与无衬砌的情况相比地表变形减少了25%~40%，同时开挖面的应力和变形也相应减小。

最后，衬砌本身表现为弯曲变形的特点，其应力最大值出现在隧道侧边最外侧边缘处。

关键词：有限元数值分析；隧道开挖；衬砌；地表变形；ABAQUS0 引言随着我国经济的快速增长，为了满足现代生活的便捷，舒适，高效的要求，城市的基础设施的建设就变得更加重要。

随着城市的地域的扩大，城市人口增多，各地区功能性的强化及人们日常的活动区域的不断扩大，地面道路交通越来越难以满足人们日常出行的要求。

继北京、上海等特大城市修建了多条地铁之后，越来越多的中大型城市如广州、杭州等开始修建地铁线路，以缓解城市的地面交通压力。

隧道开挖工程数量的剧增，加之现场一般位于城市繁华区，存在较为密集的建筑群。

所以更迫切的需要相应的理论研究能指导现场的施工，解决现场出现的各种问题，同时减小对地面原有的建筑造成不良的影响。

因土体材料本身为非均质材料，而且因地区不同，土体材料的性质也各不相同；同时开挖过程又是一个极复杂的卸载、加载的多步骤过程，所以隧道开挖问题很难有精确的理论方法。

随着近年来计算机技术发展、有限元方法的不断完善，数值分析方法被认为是一种求解工程中所遇到的各种复杂问题的最有效方法之一[1,2]。