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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2017-04-25

隧道数值模拟注意事项

由于目前市面上出现的一些ABAQUS视频教程鱼龙混杂，很多初学者无法鉴别，容易被误导。所以，我们团队结合数年的数值模拟以及研究设计建设一线工作经验，这期就以目前所掌握的知识，跟大家聊聊隧道数值模拟注意事项！
相信有很大一部分ABAQUS学习者都没有在隧道施工现场待过，特别是女生就连隧道都不允许进，当然有部分男同胞是因为老板接了隧道项目才有机会去现场。做隧道数值模拟一定要了解施工过程，这样才能更好的模拟实际情况，不然就是纸上谈兵，不切实际。之前读书的时候也不懂现场是如何施工的，后来由于工作需要就会经常到隧道现场，慢慢的就了解了。但是，还得继续学习。

图1 施工现场

1、模型建立
一些同学会问，在做山岭隧道时要不要把地形的模型也建出来？
这就需要看自己研究的对象，重点考虑的内容。例如，若考虑隧道开挖对边坡稳定性的影响，建个地形模型就比较好。然而，ABAQUS没有Midas GTS那么方便，还需要在CAD等其他软件建模，再导入进去。此外，ABAQUS对不规则而且复杂的装配体划分网格单元时，可谓捉襟见肘呀！还得使用hypermesh或者ANSA等前处理软件，最后还得一次次导入应力实现初始地应力平衡，相当麻烦！
通常情况下，我们会做一些简化处理，把模型顶部自由面假设是平坦的，考虑最不利的位置进行模拟，这样的结果才比较保守。就如隧道设计时，往往选择最不利的情况进行设计才更安全。

图2 山岭隧道模型

在平面模型中，若模型边界与隧道中线的距离大于隧道直径的3倍，应力变化一般小于5%；若大于5倍，则应力变化小于1%。因此，模型断面的尺寸取7至10倍隧道直径比较适合，这样才能减小边界效应的影响。对于三维模型，隧道纵向长度同时也要空间效应的影响。尽量把研究的部位设置在模型的中间，在阅读部分SCI文献发现一般在50至170m之间，个人一般习惯取100m，根据具体情况而定。（感兴趣的同学可以自己建一些模型来对比一下！）

图2 模型尺寸

2、应力释放
隧道开挖时，围岩应力释放，应力重新分布，所以在模拟是也要做应力释放。应力释放在前几期已有过介绍，详见“释放荷载的计算方法”。目前隧道开挖用的普遍新奥法（NATM），地铁主要是盾构法，而新奥法就是充分利用围岩的自稳，围岩与支护结构共同受力。
在ABAQUS当中有两种实现应力释放的方法，一种是刚度折减法，另一种是翻转应力释放法。刚度折减法用的比较多，通过温度场或者场变量即可实现，无论是二维还是三维模型都可以方便运用，但是只是近似的方法。翻转应力释放法，物理意义明确，操作稍微复杂，得反力需导出编辑再倒入，使用与二维模型。
对于在衬砌之前围岩应力释放多少，由衬砌的施做时间决定。

图4 应力释放示意图

3、支护结构激活时机
相信很多同学都在用《ABAQUS在岩土工程中的应用》这一本书，看到隧道模拟那一章节都会感到很困惑，为什么隧道还没开完就施加衬砌了，这不符合常理呀？

在我们的巨藕工场视频教程里面会提到这一点。个人认为，采用刚度折减法无法像翻转应力释放法那样待隧道开挖后围岩应力慢慢释放，释放到一定程度再激活支护结构。其实，采用度折减法释放应力的分析步，就相当于该部分土体已经开挖了。所以书上的例题是释放应力后就添加衬砌，最后再开挖释放全部应力。
4、工法模拟
在提供咨询服务时我们团队的成员常常会被许多同学问到，为什么用所设计的中隔壁（CD）工法模拟，变形会那么大呢？

这很明显就是没有待过隧道建设一线的表现，不了解施工过程。

图5 错误模拟示意图

现在就简单屡屡，隧道施工方法主要有全断面发、台阶法、中隔壁（CD）法、交叉中隔壁（CRD）法、双侧壁导坑法，这些工法可是对应着不同围岩级别的隧道施工，而不是随意使用。举个例子，设计V级围岩的隧道施工方法采用CRD工法，用这个工法只是针对开挖而已，同时还需要设计相应的超前支护，如管棚或者注浆小导管将土体加固。因此，很多不明白施工的同学模拟时用的是未采用超前支护时的围岩，出现了变形达数米的情况。

图6 CRD工法示意图

这期就聊到这里，更多的数值模拟知识在我们的视频教程中都会给大家一一介绍。

参考文献：
1. 王金昌，陈页开. ABAQUS在土木工程中的应用[M]. 浙江大学出版社, 2006.
2. 费康, 张建伟. ABAQUS在岩土工程中的应用[M]. 中国水利水电出版社, 2010.
3. 单位中铁一局集团有限公司. 铁路隧道工程施工技术指南[M]. 中国铁道出版社, 2008.
4. 重庆交通科研设计院. 公路隧道设计规范JTG(JTG D70-2004).2004-07-09发布, 2004-11-01实施[M]. 交通出版社, 2004.
5. 单位铁道第二勘察设计院. 铁路隧道设计规范.第3版[M]. 中国铁道出版社, 2005.

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