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隧道的计算模型及数值法在隧道计算模型中的应用摘要：本文介绍了地下工程中常用的四种设计模型：经验设计法、收敛-约束法、载荷-结构模型及连续介质模型。
重点阐述了隧道设计计算方法的两种常用方法：载荷-结构法和地层-结构法，并利用ABAQUS有限元软件分别对两种计算方法下的模型进行了数值模拟和结果分析，得到了一些有意义的结论。
关键词：设计模型、载荷-结构法、地层-结构法、ABAQUS1 隧道结构设计发展历程及现状地下结构的计算理论发展较晚。
在一定时期内，地下结构物只是作为一种特殊的结构物来处理，主要依靠经验进行建设。
随着地上结构计算理论的发展，部分理论才开始应用于地下结构。
然而经过长时间的实践探索，人们逐渐认识到地下结构的受力与地面结构完全不同，特别是地层抗力概念的引入，地下结构计算理论才真正开始建立。
隧道结构的设计理念的发展经历了刚体力学、弹性力学、粘弹性力学、弹塑性力学和粘-弹-塑性力学几个发展阶段。
早期的地下建筑多采用以砖石为主要建筑材料的拱形结构，因而计算方法主要采用拱桥的设计理念，采用压力线理论将地下结构视为刚性的三铰拱结构。
以此为代表的主要有海姆（A. Haim）理论、朗肯（W. J. M. Rankine）理论[1]。
这些方法将地下结构置于极限平衡状态，可按静力学原理进行计算。
但刚性设计方法比较保守，没有考虑围岩自身的承受能力。
十九世纪后期，随着钢筋混凝土材料大量应用于建筑结构，将超静定计算方法引入地下结构计算。
O. Kommerell（1910）在整体式隧道衬砌的计算中首次引入弹性抗力概念，将衬砌边墙所受抗力假设为直线分布，并将拱圈视为无铰拱结构[2]。
Hewett 和Johason（1922）在此基础上将弹力抗性分布假设为更接近实际情况的梯形，并以衬砌水平直径处的位移等于零为条件来确定衬砌抗力幅值[3]。
H. Schmid 和R. Windels （1926）利用连续介质弹性理论分析了地层和圆形衬砌间的相互作用[4]。
隧道及地下工程结构设计计算方法与应用在现代社会中，隧道及地下工程结构设计计算方法与应用是一个十分重要的课题。
隧道工程是一项基础设施工程，它在城市建设、交通运输等方面发挥着重要作用。
隧道结构设计的质量和安全性对于城市的发展和人民生活的质量都有着直接的影响。
在隧道设计计算中，最重要的是要考虑隧道的结构特点、地质情况、地下水情况以及使用要求等因素。
在结构设计计算方法中，首先需要对隧道的施工条件和使用要求进行充分的了解和分析。
其次需要对隧道的结构形式和受力特点进行详细的研究和计算。
最后需要进行隧道的地质勘察和地下水情况的调查，以便对隧道的地质条件和地下水情况进行合理的评估和计算。
隧道及地下工程结构设计计算方法与应用的深度和广度要求是非常高的。
在进行隧道设计计算时，需要全面考虑隧道的结构特点、地质情况、地下水情况以及使用要求等因素，并且需要对这些因素进行充分的了解和分析。
在隧道设计计算的深度方面，需要对隧道的结构形式和受力特点等进行详细的研究和计算。
在隧道设计计算的广度方面，需要对隧道的地质勘察和地下水情况进行全面的调查和评估。
只有在深度和广度兼具的基础上，才能够进行有价值的隧道及地下工程结构设计计算，并且保证隧道的工程质量和安全性。
在文章中，我将从以下几个方面对隧道及地下工程结构设计计算方法与应用进行全面的评估和探讨：一、隧道及地下工程结构设计计算方法1.1 隧道结构特点分析1.2 隧道受力特点计算1.3 隧道施工条件考虑二、隧道及地下工程结构设计计算应用2.1 地质勘察分析2.2 地下水情况调查2.3 使用要求评估与计算总结回顾：通过对隧道及地下工程结构设计计算方法与应用的深度和广度要求进行全面评估和探讨，我们可以得出以下几点结论：隧道设计计算需要全面考虑隧道的结构特点、地质情况、地下水情况以及使用要求等因素，这是对隧道设计计算深度和广度的要求。
隧道设计计算的深度要求需要对隧道的结构形式和受力特点进行详细的研究和计算，而隧道设计计算的广度要求需要对隧道的地质勘察和地下水情况进行全面的调查和评估。
隧道工程中常用的设计方法
隧道工程的设计首先从处理基本的地质条件开始，并考虑许多其他因素。
一般而言，
隧道设计也包括选择工程材料、选择类型和位置以及最终形状等。
一般而言，隧道设计方法包括有限元分析、数值模拟方法、概率方法和经验分析方法。
有限元分析是一种解决固体力学分析问题的常用设计方法。
它充分考虑了结构的复杂性。
它通过分析构件的几何形状，确定各个组件的受力行为，从而求解结构的最优结果。
有限元分析的特点在于可以精确地模拟出实际应力和应变情况，给出更准确的设计结果。
数值模拟方法是一种模拟和预测隧道行为的设计方法。
通过数学模型，可以模拟隧道
结构和土体状态的变化，精确地估算工程参数，形成对隧道变形的准确预测，从而指导隧
道的设计。
概率方法是隧道工程中常用的设计方法。
它利用统计学原理，分析建筑参数和材料性
质的连贯性，从而预测建筑的平均性能，并计算各种概率，确定可能出现的最大限度值。
它也可以用于确定隧道寿命。
经验分析方法也是一种通用的设计方法，它采取有关项目的基础资料和隧道工程工程
实施过程，通过分析这些信息，结合多年来在此领域的设计经验，成功解决工程设计问题。
它具有设计简单、技术可行和成本低等特点，广泛应用于重质隧道的设计中。
最后，对于复杂地质条件的隧道，可以采用综合设计方法，即将上述单项设计方法相
结合，从而更精确、准确地设计隧道。
岩土体本构模型及适用条件0引言岩土材料的本构理论是现代岩土力学的基础。
广义上说，本构关系是指自然界的作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。
土体是一种地质历史产物，具有非常复杂的非线性特征。
在外荷作用下，表现出的应力—应变关系通常具有弹塑性、黏性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状。
土体本构模型就是在整理分析试验结果的基础上，用数学模型来描述试验中所发现的土体变形特性。
采用数值方法分析岩土工程问题时，关键技术就是模拟岩土介质的本构响应。
作为天然材料的岩土是由固体颗粒、水、空气组成的三相介质，具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、磁滞性、各向异性等性状，其应力—应变关系非常复杂。
自Roscoe等创建Cam- clay模型至今，已出现数百个本构模型，得到工程界普遍认可的却极少，严格地说还没有。
事实上，试图建立能反映各类岩土工程问题的理想本构模型是困难的，甚至是不可能的。
另一方面，岩土介质具有各向异性特征早已为人们熟知，但对其开展深入研究却很少。
同时，随着人类工程活动范围和规模的扩大，对岩土的渗透特性与水力耦合作用的研究显得尤为紧迫。
因此开展考虑各向异性和渗流—应力耦合作用的岩土本构模型的研究具有重要的理论价值和实际工程应用背景。
1传统的岩土本构模型1.1 弹性模型对于弹性材料，应力和应变存在一一对应的关系，当施加的外力全部卸除时，材料将恢复原来的形状和体积。
弹性模型分为线弹性模型和非线性弹性模型两类。
线弹性模型和非线性弹性模型，其共有的基本特点是应力与应变可逆，或者说是增量意义上可逆。
这类模型用于单调加载时可以得到较为精确的结果。
但用于解决复杂加载问题时，精确性往往不能满足工程需要，因此引发了弹塑性本构模型的发展。
1.2 弹塑性模型弹塑性模型的特点是在应力作用下，除了弹性应变外，还存在不可恢复的塑性应变。
应变增量。
分为弹性和塑性两部分，弹性应变增量用广义虎克定律计算，塑性应变增量根据塑性增量理论计算。
2隧道力学特征及数值模拟方法2.1隧道开挖生成的围岩二次应力场特征岩体在开挖前处于初始应力状态，初始应力主要是由于岩体的自重和地质构造所引起的。
在岩体进行开挖后改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力状态重新分布，引起岩体变形甚至破坏。
在这个时间工程中，地层应力是连续变化的，特别地，洞室开挖后在未加支护的情况下，地层应力所达到的新的相对平衡称为围岩的二次应力状态。
一般来说，二次应力场是三维场。
在隧道施工过程中，横向的二次应力作用使得洞周围岩的应力状态和变形状态发生了显著的变化，可将洞周围岩从周边开始逐渐向深部分为4个区域：(1)松动区由于施工扰动(例如施工爆破)，区内岩体被裂隙切割，越靠近洞室周围越严重，其内聚力趋近于零，内摩擦角也有所降低，强度明显削弱，基本无承载能力，在重力的作用下，产生作用在支护上的松动压力。
(2)塑性强化区这一区域是围岩产生变形的根源。
隧道开挖后破坏了地层的原状力线，在洞体四周产生了很高的应力集中，此时，该处只存在切向应力和指向隧道中心的径向不平衡力，切向应力由承载拱承担，而对于径向应力，毛洞是无法承担的，所以要释放(在有支护的情况下一部分被初期支护承担)。
这就造成了洞体开挖后四周的围岩向隧道中心发生位移，周边的径向应力逐渐趋向零，而切向应力随着径向位移而增大。
这一应力状态的变化导致岩体从初始的二轴(这里只考察平面应力状态)受压状态转变为单轴受压状态，使得这一区域围岩处于非常不利的受力状态，当这一应力状态超过岩体的强度极限时，洞室周围出现了塑性区域或者破坏区域，产生塑性变形。
如果洞室周围塑性区域扩展不大，随着径向位移的出现，地层塑性区域达到稳定的平衡状态，围岩没有达到承载能力的极限值；但是如果塑性区域继续扩展，则必须采取支护措施约束地层运动，才能保持洞室围岩处于稳定状态，这时为了阻止地层运动，就显出塑性变形压力。
(3)弹性变形区域这一区域内岩体在二次应力作用下仍处于弹性变形状态，各点的应力都超过原岩的应力，应力解除后能恢复到原岩应力状态。
广东省交通厅科技项目复杂地质条件下隧道施工安全保障技术研究茶林顶公路隧道初始应力状态及施工力学数值模拟目录1 工程概况 (1)2 工程地质条件 (1)2.1地形地貌 (1)2.2地质构造 (1)2.2.1褶皱 (1)2.2.2断层 (1)2.3地层岩性 (1)3 MIDAS/GTS简介 (2)4隧道岩体应力场的数值模拟 (3)4.1数值分析模型的建立 (3)4.2数值模拟结果分析 (4)4.2.1 最大主应力特征 (4)4.2.2 最小主应力特征 (7)4.2.3 最大剪应力特征 (9)4.3主要结论 (12)5隧道典型横断面施工力学数值模拟 (12)5.1计算参数的选取 (12)5.2数值分析模型的建立 (13)5.3施工过程控制 (14)5.4数值分析结果及其分析 (14)5.3.1围岩位移特征 (14)5.3.2围岩应力特征 (21)5.3.3围岩屈服接近度特征 (32)5.3.4断层带位移特征 (35)5.3.5断层带应力特征 (41)5.3.6断层带屈服接近度特征 (50)5.3.7隧道初期支护结构内力及应力特征 (53)5.5主要结论 (67)6 结论和建议 (67)1 工程概况广梧高速公路茶林顶公路隧道左线起点里程LK71+566，终点里程LK74+261，全长2695m；右线起点里程RK71+632，终点里程LK74+246，全长2614m。
为双洞四车道，左、右线隧道分离布设，设计行车速度为80km/h。
2 工程地质条件2.1地形地貌隧道地处茶林顶重丘山岭区，山体走向总体呈近北东或北西向，地势总体呈南高北低，隧道线路经过最大高程约为355m，隧道进出口丘山体呈缓坡状，自然坡度为10°~20°，隧道中部山顶及山凹两侧山坡坡度较大，约30°~35°，山体植被茂密，主要生长松树和杂草，山体地表发育有数条小沟谷，部分沟谷内有长年流水，地表水量较小，隧道中部为一较大沟谷（分水凹），呈北东方向，平时无水流，但大雨时水量较大。
隧道工程中的岩层稳定性分析隧道工程是一项复杂而重要的工程，对岩层稳定性的分析是确保隧道安全建设的关键。
本文将介绍隧道工程中岩层稳定性的分析方法和技术。
一、隧道工程中的岩层稳定性分析概述在隧道施工过程中，岩层的稳定性是一个至关重要的问题。
如果岩层不稳定，就可能导致洞穴塌方、地质灾害等严重后果。
因此，进行岩层稳定性分析是隧道工程的基本要求之一。
二、岩层稳定性的评估指标1. 地应力地应力是岩层稳定性分析的一个重要参数。
通过测量地应力大小和变化趋势，可以判断岩层的稳定性状况。
2. 岩石力学参数岩石力学参数包括岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。
通过测试这些参数，可以确定岩层的稳定性。
3. 水文地质参数水文地质参数包括地下水位、渗透性和含水量等。
这些参数的变化对地下岩层的稳定性具有重要影响。
三、岩层稳定性分析方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的岩层稳定性分析方法。
它通过借助计算机软件，对隧道工程中的岩层进行模拟和分析，可以预测岩层的变形和破坏情况，评估其稳定性。
2. 统计方法统计方法是通过统计大量实测数据和观测数据，来确定岩层的稳定性。
通过对数据的分析和比对，可以判断岩层是否处于稳定状态。
3. 实地勘察方法实地勘察方法是一种直接观察和测量隧道工程现场的方法。
通过对岩层的实地勘察和监测，可以了解岩层的实际情况，进而评估其稳定性。
四、岩层稳定性分析技术1. 地面测量技术地面测量技术是一种非常重要的岩层稳定性分析技术。
通过使用测量仪器，如全站仪、测距仪等，可以获得隧道工程现场的地形、地貌等数据，用于稳定性的分析。
2. 地球物理勘探技术地球物理勘探技术是通过使用地震波、电磁波等物理信号，对岩层的内部结构和性质进行探测的技术。
通过对地下岩层的勘探，可以获取到岩层的相关参数，用于岩层稳定性的分析。
3. 遥感技术遥感技术是一种通过卫星遥感图像、航空照片等数据，对隧道工程附近的地貌、岩层等进行分析的技术。
通过借助遥感技术，可以获取到大范围的岩层信息，进而对岩层的稳定性进行评估。
隧道掘进开挖数值模拟分析1道掘进开挖数值模拟分析1.1模拟方案的选取隧道掘进开挖模拟方案Ⅰ以重庆地区的土质参数，分别选取中风化砂岩和中风化泥岩的土体参数建立土体的有限元模型。
轻轨隧道采用直径为5.5m的圆形断面，隧道埋深为1.5倍（8.3m）隧道直径，内空开挖高度约5.5m，下台阶开挖高度2.75m，上台阶开挖高度2.75m。
通常隧道掘进开挖循环进尺IV级围岩进尺最好控制在3米以下；V级围岩不超过1.2米。
图1.1 模型桩与开挖隧道XOY平面布置示意图图1.2 模型桩与开挖隧道XOZ平面布置示意图隧道掘进开挖模拟方案Ⅱ选取武汉地区的土质参数建立土体的有限元模型。
轻轨隧道采用直径为5.5m的圆形断面，隧道埋深为1.5倍（8.3m）隧道宽度，内空开挖高度约5.5m，下台阶开挖高度2.75m，上台阶开挖高度2.75m。
隧道掘进开挖模拟方案Ⅲ选取南京地区的土质参数建立土体的有限元模型。
轻轨隧道采用直径为5.5m的圆形断面，隧道埋深为1.5倍（8.3m）隧道宽度，内空开挖高度约5.5m，下台阶开挖高度2.75m，上台阶开挖高度2.75m。
1.2模型的建立以及计算参数该模型的建立采用MIDAS/GTS有限元软件。
模型的边界条件定义如下：地表面定义为自由面，没有约束；左右两侧的X方向的水平位移被法向约束；模型底部边界的X、Z方向被全约束，采用自重地应力场。
研究电缆隧道掘进开挖引起的最终地表和桥墩桩基础的沉降规律以及变形是本模型模拟的目的，因此支护和荷载释放（开挖时全部释放）在本模型中不考虑。
1.3计算结果在MIDAS/GTS软件中建立模型，在前处理根据轻轨隧道的几何尺寸建立几何模型、并划分网格，设定边界条件和荷载条件，定义施工阶段，设定分析类型为施工阶段分析。
隧道掘进开挖模拟结果分析图1.2 隧道掘进开挖有限元模型分析可知在中风化砂岩体中当临近桥墩桩基础与隧道横断面中轴线的垂直距离大于5.5m时，因隧道开挖导致土体挠动引起临近桥墩桩基础竖向沉降的影响随着桩洞距的增加而变化不大，且数值非常微小。
