CN112417542A - 验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，步骤如下：(1)建立隧道开挖模型；(2)按照现场开挖施工方案进行开挖模拟；(3)提取隧道开挖围岩应力场；(4)提取隧道开挖围岩应变场；(5)提取隧道开挖围岩位移场；(6)建立设计支护方案有限元模型；(7)施加荷载，检算支护方案强度与稳定性；支护方案检算通过，按原隧道开挖方案实施，未通过，则改变隧道开挖方案或调整支护方案设计。本发明使模型更加符合现场地形实际；提高了施工安全性；可以提前评估后续施工安全性以及节约成本。

Description

验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，涉及验隧道施工方案合理性的数值模拟方法。
背景技术
浅埋偏压复杂地质段隧道开挖施工方案的选择和验证一直是工程技术人员考虑的问题，目前主要是充分结合现场探测地质资料，根据围岩级别、隧道类型等特征初步选择隧道开挖方案，根据开挖过程中出现的实际问题灵活处置，但是无法在开挖前快速初步验证隧道开挖方案及支护设计方案的合理性，验证隧道开挖方案及支护设计方案合理性时也未考虑施工过程中的荷载动态变化，仅凭手上获取的有限资料对隧道开挖方案及支护设计方案的确定带有一定经验性，为后续隧道开挖施工安全乃至施工工期都带来了较大不确定性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种隧道开挖施工方案合理性的数值模拟方法，为后续隧道开挖施工提供确定性。
为了实现上述目的，验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，步骤如下：
(1)建立隧道开挖模型；
(2)按照现场开挖施工方案进行开挖模拟；
(3)提取隧道开挖围岩应力场；
(4)提取隧道开挖围岩应变场；
(5)提取隧道开挖围岩位移场；
(6)建立设计支护方案有限元模型；
(7)施加荷载，检算支护方案强度与稳定性；支护方案检算通过，按原隧道开挖方案实施，未通过，则改变隧道开挖方案或调整支护方案设计。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：
(1.1)根据隧道开挖区域地形等工程地质资料建立数字地形模型；
(1.2)建立数字地形模型导入作为三维数值分析模型的几何模型形状；
(1.3)设置单元，划分网格，确定材料属性，设置约束等计算条件。
进一步地，所述步骤(3)具体包括：
(3.1)根据力的正负判别容易引起破坏的拉应力区域和应力集中区域，记录最大应力；
(3.2)将每一施工步序完成后的应力分布及最大应力串联成一个动态变化的应力变化文件，最终得到整个开挖过程围岩应力场随开挖动态变化过程。
进一步地，所述步骤(4)具体包括：
(4.1)判别弹性变形和塑形变形区域，确定塑性应变最大范围；
(4.2)将每一施工步序完成后的应变分布串联成一个动态变化的应变文件，最终得到整个开挖过程围岩应变场随开挖动态变化过程。
进一步地，所述步骤(5)具体包括：
(5.1)确定拱顶与拱底最大沉降值；
(5.2)按每一施工步序完成后提取，最终得到拱顶与拱底最大沉降值随开挖动态变化过程。
进一步地，所述步骤(6)具体包括：
(6.1)根据现场设计支护方案建立模型几何形状；
(6.2)设置单元，划分网格，确定材料属性，设置约束等计算条件。
进一步地，所述步骤(7)具体包括：
(7.1)编辑步骤(3)提取得到的动态变化荷载；
(7.2)施加荷载；
(7.3)对支护结构进行内力计算、位移计算；
(7.4)检算支护结构强度和稳定性。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.数值分析模型几何形状考虑了直接导入数字地形模型，不用假设尺寸模拟偏压浅埋的特点，使模型更加符合现场地形实际；
2.数值模拟方法考虑了提取每一施工步序完成后的应力、应变、位移，得到应力、应变、位移随隧道开挖过程动态变化过程，避免了最终支护验算只考虑隧道轮廓面形成之后的应力、应变、位移，提高了施工安全性；
3.提出了一种在隧道施工前，考虑施工过程中荷载动态变化，初步快速验证施工方案合理性的数值模拟方法，可以提前评估后续施工安全性以及节约成本。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
为了实现上述目的，验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，如图1所示，步骤如下：
S1：(1)建立隧道开挖模型；
S2：(2)按照现场开挖施工方案进行开挖模拟；
S3：(3)提取隧道开挖围岩应力场；
S4：(4)提取隧道开挖围岩应变场；
S5：(5)提取隧道开挖围岩位移场；
S6：(6)建立设计支护方案有限元模型；
S7：(7)施加荷载，检算支护方案强度与稳定性；支护方案检算通过，按原隧道开挖方案实施，未通过，则改变隧道开挖方案或调整支护方案设计。
所述步骤(1)具体包括：
(1.1)根据隧道开挖区域地形等工程地质资料建立数字地形模型；
(1.2)建立数字地形模型导入作为三维数值分析模型的几何模型形状；
(1.3)设置单元，划分网格，确定材料属性，设置约束等计算条件。
所述步骤(3)具体包括：
(3.1)根据力的正负判别容易引起破坏的拉应力区域和应力集中区域，记录最大应力；
(3.2)将每一施工步序完成后的应力分布及最大应力串联成一个动态变化的应力变化文件，最终得到整个开挖过程围岩应力场随开挖动态变化过程。
所述步骤(4)具体包括：
(4.1)判别弹性变形和塑形变形区域，确定塑性应变最大范围；
(4.2)将每一施工步序完成后的应变分布串联成一个动态变化的应变文件，最终得到整个开挖过程围岩应变场随开挖动态变化过程。
所述步骤(5)具体包括：
(5.1)确定拱顶与拱底最大沉降值；
(5.2)按每一施工步序完成后提取，最终得到拱顶与拱底最大沉降值随开挖动态变化过程。
所述步骤(6)具体包括：
(6.1)根据现场设计支护方案建立模型几何形状；
(6.2)设置单元，划分网格，确定材料属性，设置约束等计算条件。
所述步骤(7)具体包括：
(7.1)编辑步骤(3)提取得到的动态变化荷载；
(7.2)施加荷载；
(7.3)对支护结构进行内力计算、位移计算；
(7.4)检算支护结构强度和稳定性。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.数值分析模型几何形状考虑了直接导入数字地形模型，不用假设尺寸模拟偏压浅埋的特点，使模型更加符合现场地形实际；
2.数值模拟方法考虑了提取每一施工步序完成后的应力、应变、位移，得到应力、应变、位移随隧道开挖过程动态变化过程，避免了最终支护验算只考虑隧道轮廓面形成之后的应力、应变、位移，提高了施工安全性；
3.提出了一种在隧道施工前，考虑施工过程中荷载动态变化，初步快速验证施工方案合理性的数值模拟方法，可以提前评估后续施工安全性以及节约成本。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，其特征在于，步骤如下：
(1)建立隧道开挖模型；
(2)按照现场开挖施工方案进行开挖模拟；
(3)提取隧道开挖围岩应力场；
(4)提取隧道开挖围岩应变场；
(5)提取隧道开挖围岩位移场；
(6)建立设计支护方案有限元模型；
(7)施加荷载，检算支护方案强度与稳定性；支护方案检算通过，按原隧道开挖方案实施，未通过，则改变隧道开挖方案或调整支护方案设计。
2.如权利要求1所述的验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：
(1.1)根据隧道开挖区域地形等工程地质资料建立数字地形模型；
(1.2)建立数字地形模型导入作为三维数值分析模型的几何模型形状；
(1.3)设置单元，划分网格，确定材料属性，设置约束等计算条件。
3.如权利要求1所述的验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
(3.1)根据力的正负判别容易引起破坏的拉应力区域和应力集中区域，记录最大应力；
(3.2)将每一施工步序完成后的应力分布及最大应力串联成一个动态变化的应力变化文件，最终得到整个开挖过程围岩应力场随开挖动态变化过程。
4.如权利要求1所述的验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：
(4.1)判别弹性变形和塑形变形区域，确定塑性应变最大范围；
(4.2)将每一施工步序完成后的应变分布串联成一个动态变化的应变文件，最终得到整个开挖过程围岩应变场随开挖动态变化过程。
5.如权利要求1所述的验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：
(5.1)确定拱顶与拱底最大沉降值；
(5.2)按每一施工步序完成后提取，最终得到拱顶与拱底最大沉降值随开挖动态变化过程。
6.如权利要求1所述的验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：
(6.1)根据现场设计支护方案建立模型几何形状；
(6.2)设置单元，划分网格，确定材料属性，设置约束等计算条件。
7.如权利要求1所述的验证隧道施工开挖方案合理性的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(7)具体包括：
(7.1)编辑步骤(3)提取得到的动态变化荷载；
(7.2)施加荷载；
(7.3)对支护结构进行内力计算、位移计算；
(7.4)检算支护结构强度和稳定性。
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