第3章ANSYS隧道工程应用实例分析.doc

第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析 本章重点隧道工程概述隧道施工ANSYS模拟的实现ANSYS隧道结构实例分析ANSYS隧道开挖模拟实例分析本章典型效果图隧道工程相关概念隧道工程设计模型为达到各种不同的使用目的,在山体或地面下修建的建筑物,统称为“地下工程”。在地下工程中,用以保持地下空间作为运输孔道,称之为“隧道”。由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入,所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外,大都要在坑道的周围修建支护结构,称之为“衬砌”。隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物,它的受力和变形与围岩密切相关,支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束,共同作用。隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的,但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题,因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程,是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程现实极不相称,促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在20世纪20年代以前,地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论,以砖、石头材料作为衬砌,采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。此时,只是将衬砌作为受力结构,围岩是看作载荷作用在衬砌结构上,这种设计理论过于保守,设计出的衬砌厚度偏大。20世纪50年代以来,岩石力学开始成为一门独立的学科,围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展,而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步的飞跃。同时,锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支护允许开挖后的围岩有一定的变形,使围岩能够发挥其稳定性,从而可以大大地减小衬砌厚度。国际隧道学会认为,目前采用的隧道设计模型主要有以下几种:以工程类比为主的经验设计方法。以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法(如现场和实验室的岩土力学试验、以洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等)。作用—反作用设计模型,即目前隧道设计常用的载荷—结构模型,包括弹性地基梁、弹性地基圆环等。连续介质模型,包括解析法(封闭解和近似解)和数值法(以FEM为主)。国际隧道学会于1978年成立了隧道结构设计模型研究小组,收集和汇总了各会员国目前采用的隧道工程设计模型,详见表3-1。表3-1隧道工程设计模型国家盾构法NATM法矿山法明挖法初期支护:FEM、收敛初期支护:经验法中国弹性地基圆环、经验法—约束法二次支护:弹性地基圆环二次支护:作用与发作用法大型洞室:FEM结构力学弯距分配法澳大利亚弹性支撑全圆环法、MuirWood法或假定隧道变形法初期支护:Proctor-White法二次支护:弹性支撑全圆环法、MuirWood法或假定隧道变形法初期支护:Proctor-White法二次支护:弹性支撑全圆环法、MuirWood法或假定隧道变形法结构力学弯距分配法奥地利弹性地基圆环弹性地基圆环、FEM、收敛—约束法经验法弹性地基框架日本局部支撑弹性地基圆环局部支撑弹性地基圆环、经验法加测试、FEM弹性地基框架、FEM、特征曲线法弹性地基框架、FEM德国埋深<2D:顶部无支撑的弹性地基圆环埋深>3D:全周支撑的弹性地基圆环或FEM埋深<2D:顶部无支撑的弹性地基圆环埋深>3D:全周支撑的弹性地基圆环或FEM全周支撑的弹性地基圆环或FEM弹性地基框架法国弹性地基圆环或FEMFEM、经验法、作用与反作用法连续介质模型、收敛-约束法、经验法—英国弹性地基圆环法、MuirWood法收敛-约束法、经验法FEM、收敛-约束法、经验法矩形框架瑞士—作用与反作用法FEM、收敛-约束法、经验法—美国弹性地基圆环弹性地基圆环、FEM、Proctor-White法、经验法—弹性地基连续框架比利时Schulze-Duddek法——钢架结构注:表中NATM指新奥法,是NEWAUSTRIATUNNELINGMETHOD的简称。FEM指有限元法,是FINITEELEMENTMETHOD的简称。各种隧道设计模型各有其适合的场合,也各有自身的局限性。由于隧道结构设计受到各种复杂因素的影响,因此在世界各国隧道设计中,主要采用以工程类比为主的经验设计法,特别是在支护结构预设计中应用最多。即使内力分析采用比较严格的理论,其计算结果往往也需要用经验类比加以判断和补充。如常见公路或铁路隧道,都是选取以工程类比为主的经验设计法来进行结构参数的拟定,可见公路或铁路隧道设计规范。但是,采用此法设计的隧道结构是不安全的和不经济的。因为设计的隧道的地质勘探不可能做到对每一段都进行钻探,因而会出现地质条件错误判断现象,有可能实际围岩类别比