17-C.1         隧道

17-C.1.1    简介

CivilFEM用户将获得两种隧道生成工具，可通过简单方式创建有限元模型，忠实再现隧道施工的不同阶段。

17-C.1.2    3D隧道生成

17-C.1.2.1                总体工作原理

结构形式

在隧道施工中，除将要开挖的初始地层外，最终结构还可由以下部件或结构形式组成：

 

 

基准截面

称为基准截面 un 装配，其中包含已在活动坐标系CSYS中划分网格的、构成隧道通用截面的所有对象。该基准截面必须位于同一平面内，其对象包括：

·         关键点

·         线

·         面

·         节点

·         单元

构成此装配的单元将属于以下类型。

 

 

CivilFEM 根据用于划分网格的单元类型识别结构形态类型。

La 基础截面 将移动到 3D 隧道的起始点，并垂直于路径其方向，使得路径与截面的坐标原点重合。

La 基础截面将包含隧道的完整演化过程，即应包括从开始施工到施工结束期间构成隧道的各个部分。

 

隧道“布局”导线

隧道导线是指由一组连续线段组成的空间轨迹，隧道施工过程中基础截面的坐标原点沿此轨迹运动。

为了定义隧道导线，CivilFEM 采用此类土木工程中通用的方法，将平面线形和纵断面线形分别考虑：

 

·         平面线形由一系列直线、圆弧和回旋线组成。

·         纵断面线形由一系列直线和抛物线弧组成。

 

在当前版本中，隧道生成工具不支持导线同时在平面和纵断面内弯曲。

 

演化过程

为了定义实际的开挖过程，CivilFEM 使用以下术语：

- 阶段            隧道横截面从开始在截面内开挖，直至完全施工完成并衬砌完毕所经历的每一种状态。

- 掘进        隧道所经过的每一个位置。

- 滞后       某一掘进中的某个阶段与在STEP计算中的最后一个阶段开始实施之间的时间差。

本节末尾的示意图说明了这些定义。

 

En el 掘进 0 尚未开始隧道开挖，土体处于其初始条件下（s¹0 y e=0).

在 开挖进尺 0 和 1 之间发生四个 阶段:

0.0 – 未开挖土体，具有其 初始应力

0.1 – 开挖

0.2 – 钢拱架安装及 喷射混凝土

0.3 – 浇筑混凝土

 

在 阶段 0.3 结束时，开挖进尺 1。随后进行三个新的 阶段:

1.1 – 开挖

1.2 – 钢拱架安装及 喷射混凝土

1.3 – 浇筑混凝土

 

以达到阶段 2.0，依此类推。

CivilFEM 用于编号开挖进尺 y 阶段 的系统如下：

·         El 开挖进尺 0（零）对应于开始 开挖前的土体。

·         要从进度 0 al 进度 1，必须 执行以下阶段

o   阶段 0 – 未开挖土体

o   阶段 1 及后续阶段：开挖的不同阶段。

·         要从进度 n al n+1 (siendo n>0) ya no se realiza la 阶段 0，因为阶段 0 的进度 n es la 阶段 最终进度 n-1.

 

 

17-C.1.2.2                阶段和进度定义

CivilFEM能够按照上一节所述的进展/阶段体系，以所需的精度再现最复杂的施工过程。

为了进行建模，用户必须向程序说明将采用的施工体系，这 通过选择各区域生成的构件将存在的阶段来实现，这些区域源自 基础截面。

在前面所示的示例中，该过程可描述 如下表所示：

 

            (1) 此阶段仅 存在于进度 0 中

                (2) 网格划分所采用的 构件类型（信息性）

 

需要注意的是，由于存在错位，会同时执行不同的（进度、阶段） 对，因此提供了一个命令（~TPLST)，用于 告知每一对对应于 CivilFEM 的哪个计算步骤（STEP)。每一对的对应关系 在上述情况下如下所示：

 

AVANCE	FASE	STEP
0	0	1
0	1	2
0	2	3
1	1
0	3	4
1	2
2	1
0	3	5
1	3
2	2
3	1
0	3	6
1	3
2	3
3	2
0	3	7
1	3
2	3
3	3

梁单元

桁架属于此组。其在各阶段出现方式的定义相同：用户必须 标记与基础截面网格线关联的构件存在的阶段。

在本例中，可按以下方式定义：

 

            (1) 此阶段仅 存在于开挖步 0 中

                (2) 网格划分中使用的 单元类型（信息性）

 

17-C.1.2.3                示例

以下示例使用 CivilFEM 的 3D 隧道工具完成。

第二个示例的模型生成后经过手动调整，以模拟 地基中的不同分层。

 

示例 1

附表中列出了每个区域和网格线 所属的阶段。

表格的最后一行表示延迟（延迟） 各个阶段在每个开挖步.

 

 

 

 

 

 

 

示例 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17-C.1.3    2D 隧道生成

通过向导 2D 隧道向导（参见 CivilFEM 的 图形窗口）可以方便地生成各种类型的 隧道及其施工过程。

 

17-C.1.3.1                结构形式

在隧道施工中，除将要开挖的初始 地层外，最终结构还可由以下 部分或结构形式组成：

 

 

17-C.1.3.2                施工过程

对于 2D 模型，阶段数由截面的几何类型（有无仰拱） 和所选施工方法确定。

 

隧道中的支护反压

进行隧道开挖时，开挖掌子面的存在会对其附近区域提供支护作用。

 

采用三维模型时，无需考虑该支护压力，因为模型本身会提供该压力。但是，如果进行二维计算，不考虑该压力就相当于计算一条长隧道的中间截面，并假定该隧道一次性开挖完成，这显然是不可能的。

 

为考虑开挖掌子面邻近效应（通常随着截面施工阶段的推进，掌子面会逐渐远离），可以为每个阶段输入一个围压值。

 

具体做法是在开挖前提供初始静水应力的比例。

 

 

其中，g_i 为第 i 层的重度，h_i为该层厚度， 求和范围为从应力测量点到其正上方地表之间存在的各土层。

 

也可以选择由 CivilFEM 确定这些值，程序采用以下准则：

 

-          采用Panet-Guenot理论（用于Convergence-Confinement).

-          仅考虑隧道开挖前两个阶段的围压。

 

Presiones de PANET-GUENOT（用于收敛-约束法）

这些作者提出的理论（也称为 convergencia-confinamiento)，是针对单阶段开挖的圆形截面推导的，因此严格来说仅适用于这种情况；所以，用户应当意识到采用该理论所作的简化。

 

围压通过以下表达式计算：

 

（径向压力）

 

其中，x 为距开挖掌子面的距离，R 为隧道半径（取拱顶外半径（R₁ + t₁)) y p₀ 为地层初始应力。

 

CivilFEM toma el valor x = 1.0×ForeheadAdvance  para la primera fase constructiva y x=2.0×ForeheadAdvance 第二阶段取该值。对于其余阶段（如果存在），取值为零。

附表和图中表示了无量纲值s_pg /p₀， 取决于x/R。

 

	x/R	Radial Press/p0
	0.0	0.667
	0.1	0.578
	0.2	0.501
	0.3	0.434
	0.5	0.326
	0.8	0.228
	1.0	0.160
	1.5	0.078
	2.0	0.038
	2.5	0.019
	3.0	0.009
	3.5	0.004
	4.0	0.002
	5.0	0.001
	6.0	0.000
Panet-Guenot pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

计算时，CivilFEM 在所考虑阶段对隧道开挖轮廓施加法向压力。

 

 

 

17-C.1.3.3                示例

以下示例涉及在同一岩体中建造的三条隧道，其隧道类型、施工方法不同，且开挖存在时差；该示例采用 CivilFEM 的二维隧道工具完成。