14.2.2 浅埋偏压连拱隧道开挖模拟算例
1.工程概况
2.数值模型 3.开挖方法及施工工序 4.数值模拟结果分析 5.结论
1.工程概况
图14-������
6 隧道支护示意图(单位：cm)
2.数值模型
1)计算模型为弹塑性应变，围岩进入塑性的判断采用 Drucker-Prager 屈服准则，支
护体系在线弹性范围内变化。 2)岩体变形是各向同性的。 3)隧道受力变形为平面应变问题。 4)围岩的初始应力场由自重应力构成，不考虑构造应力的影响。
14.3 隧道支护设计的计算优化
14.3.1 优化的概念 14.3.2 结构优化的关键技术 14.3.3 ANSYS优化的基本原理 14.3.4 ANSYS结构优化的基本概念和要求
14.3.5 优化方法的选择
14.3.6 ANSYS结构优化的基本过程 14.3.7 深埋软弱围岩隧道锚杆参数优化算例(传统算法)
第14章 隧道工程数值模拟技术
14.1 ANSYS软件基本内容 14.2 隧道施工过程模拟 14.3 隧道支护设计的计算优化
14.1 ANSYS软件基本内容
14.1.1 ANSYS软件介绍 14.1.2 岩石材料的本构关系 14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
14.1.1 ANSYS软件介绍
ANSYS软件是融结构、热、流体、电场、磁场、 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件， 广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、 汽车交通、国防军工、航天航空、船舶、机械 制造、核工业、石油化工、轻工等一般工业及 科学研究之中。
图14-1 岩石材料应力-应变关系的典型试验曲线 a)砂岩 b)大理岩
14.1.2 岩石材料的本构关系
图14-2 弹塑性岩石材料的 应力-应变关系
图14-3 弹塑性模型
14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
(1)Von Mises屈服准则 Von Mises屈服准则假定：屈服是由最大形状变形能(也称畸
4.数值模拟结果分析
图14-������
8 内侧隧洞先开挖方案——各步骤围岩最小应力(左)和最大应力(右)
4.数值模拟结果分析
图14-9 外侧隧洞先开挖方案——各步骤围岩最小应力(左)和最大应力(右)
4.数值模拟结果分析
图14-10 内侧隧洞先开挖方案与外侧隧洞先开挖方案中墙拉应力分布图
4.数值模拟结果分析
)
5.结论
1)浅埋偏压连拱隧道施作过程中，围岩应力变化比较复杂，从围岩拉应力区、切应力
区及塑性区分布和围岩位移出发，外侧隧洞先开挖方案要优于内侧隧洞先开挖方案。 2)两洞初期支护起着加固围岩、阻止围岩继续变形的作用，所以两方案中初衬的受力 与位移对选择开挖方案有着重要意义。 3)从中墙围岩拉应力区、切应力区及塑性区分布和围岩位移出发，外侧隧洞先开挖方 案要优于内侧隧洞先开挖方案。
图14-5 Drucker-Prager 屈服准则屈服面
14.2 隧道施工过程模拟
14.2.1 施工模拟在ANSYS软件中的实现过程 14.2.2 浅埋偏压连拱隧道开挖模拟算例
14.2.1 施工模拟在ANSYS软件中的实现过程
1.模型的建立
2.边界条件和初始应力场 3.施工过程的模拟 4.锚杆的模拟 5.衬砌之间接触的模拟
3.开挖方法及施工工序
图14-7 数值模型网格划分图
4.数值模拟结果分析
(1)围岩应力场
(2)中墙初期支护应力分析 本工程初期支护包括：管棚注浆+格栅钢拱+3.5m长砂浆 锚杆＋钢筋网+ 25cm 厚的C25 喷射混凝土，管棚注浆和锚杆采取提高围岩参数的办 法来解决，钢筋网及格栅钢拱采取提高喷射混凝土参数的办法来解决。 (3)衬砌结构应力分析 由图14-12、14-13和14-14所示为浅埋偏压连拱隧道由于开挖 顺序的不同，导致衬砌的最终应力分布及大小大不相同。
14.3.8 山区浅埋偏压连拱隧道锚喷支护的优化算例(APDL语言优
化算法)
14.3.1 优化的概念
在工程设计中，使设计效果达到最佳，或使设 计最优化是设计师一直追求的目标。经过长期 的设计实践产生了不同的优化策略和方法。
14.3.2 结构优化的关键技术
(1)优化的数学模型 建立正确合理的优化数学模型是结构优化设计的关键步骤，只
有基于正确的优化数学模型才有可能得到正确的优化结果。 (2)灵敏度控制 灵敏度计算可以采用不同的方法，而采用不同的灵敏度计算方法， 所需要的灵敏度计算时间差别很大的，并且得到的灵敏度精度也不相同。 (3)优化数学算法和优化迭代控制 对于建立的优化数学模型，虽然可用的优化算法 有多种，但是采用不同的优化算法所得到的优化效果和所花费的求解时间会有差别， 所以快速、有效的数学优化算法也是结构优化设计的一项关键技术。 (4)结构分析方法 绝大多数结构优化设计难以用解析法求解，而是采用数值方法求 解。
14.3.3 ANSYS优化的基本原理
•ANSYS引进了三种变量来阐明优化问题，用数 学方式表达如下： •目标函数最小化f=f(x1,x2,…，xn)(14-10) •设计变量满足xi≤xi(i=1～N)(14-11) •状态变量满足(x1,x2,…，xn)≤gj(j=1～ M)(14-12) •式中 N，M——设计变量和状态变量的个数。
14.1.2 岩石材料的本构关系
(1)线弹性模型 线弹性模型描述岩石材料在加载和卸载时，应力-应变呈线性关系。
(2)弹塑性模型 弹塑性模型描述岩石材料在加载过程中，应力-应变先呈线性关系， 当应力达到某一值(屈服应力)时，应力-应变开始呈非线性关系，称为初始屈服。
r-Coulomb屈服准则 (3)Drucker-Prager屈服准则 Drucker-Prager(1952年)提出用内切于莫尔-库仑六棱 角锥体的曲面作为屈服准则，如14-5所示。
14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
图14-������
4 莫尔-库仑强度准则
14.1.3 常用的岩土材料屈服准则
图14-11 内侧隧洞先开挖方案与外侧隧洞先开挖方案中墙切应力分布图
4.数值模拟结果分析
图14-12 内侧隧洞先开挖方案衬砌及底拱最终应力分布图(
)
4.数值模拟结果分析
图14-13 两方案衬砌及底拱最终切应力分布图 a)内侧隧洞先开挖方案 b)外侧隧洞先开挖方案
4.数值模拟结果分析
图 14-14 外侧隧洞先开挖方案衬砌及底拱最终应力分布图(