第5章分岔隧道稳定性研究知识要点：;分岔式隧道简介;ABAQUS的模拟方法;大拱段数值计算;连拱段数值计算;小间距隧道数值计算;本章小结本章导读：首先简要介绍了分岔式隧道的两种常见形式：Ⅰ型分岔隧道和Ⅰ型分岔隧道，接下来介绍ABAQUS在分岔式隧道模拟中涉及到的主要模拟方法：地应力平衡、喷锚支护和施工开挖多步骤分析，然后分别对分岔式隧道中的大拱、连拱和小间距拱的施工开挖全过程进行了平面和三维的数值模拟，并提出了可供工程设计施工参考借鉴的结论。
5.1 分岔式隧道简介高速公路隧道一般设置为上下行分离的双洞，且两洞室的间距保持在30m左右，通常称之为标准间距的分离隧道。
有时受地质施工等因素的限制不得不采用小间距隧道形式或连拱隧道形式，如果相邻隧道的间距小于规范的距离，则为小间(净)距隧道。
招宝山隧道为我国第一座超小净距（<0.28B）并行隧道。
国内外不少专家学者研究了小间距隧道，其围岩变形特点表明，小净距隧道在设计、施工中必须慎重对待中央岩柱的稳定性，应采取必要的设计、施工措施，减小开挖对中央岩的扰动，确保小净距隧道的施工安全。
连拱隧道是一种比较特殊的隧道结构，其常用施工方法为：l）三导洞超前施工方法，2）中导洞超前施工方法，3）无导洞超前施工方法。
在日本及意大利为中心的澳大利亚、瑞士、法国等欧洲隧道修建技术发达的国家，连拱及小间距隧道已有相当的设计施工经验。
以日本为例，在山岭重丘区的高等级公路隧道和城市浅埋隧道中大量选用了连拱隧道。
其施工方法主要有以下几种:三导洞（中央+侧壁）半断面施工方法、三导洞全断面施工方法（中央十侧壁）、三导洞（中央+侧壁）CD施工方法、中央导洞CD施工方法、中央导洞配合两拱顶盾构导洞施工方法以及中央盾构导洞施工方法。
在近二十年高速公路建设实践中，隧道工程技术人员创造性地提出了小间距隧道和连拱隧道这两种新的隧道建设形式，并在工程中成功地得到大量的运用，为山区高速公路的建设作出了重要贡献（图5-1）。
分岔隧道是目前在更为复杂地形地质条件下修建山区高速公路过程中提出的一种新的隧道建设型式，它由四车道大拱隧道或连拱隧道逐渐过渡到上下行分离双洞，因此它同时具备标准间距的分离隧道、小间距隧道、连拱隧道以及四车道大拱等多种型式隧道的特点。
图5-3 Ⅱ型分岔隧道衬砌平面布置当隧道洞口中央分隔带宽度大于5.0m ，且在地质条件较好时，洞口段一般可设置为小间距隧道（保留中间岩柱），然后逐渐过渡为标准的上下行分离隧道。
5.2 ABAQUS 的模拟方法应用ABAQUS 模拟分岔隧道的整个施工开挖过程，主要涉及到地应力平衡、喷锚支护、多步骤分步开挖等问题。
5.2.1.地应力平衡对于隧道及地下工程，几乎都要涉及到地应力问题，初始应力场的平衡与否直接影响到后续分析步的应力结果的正确性。
因此，地应力的平衡作为第一分析步非常重要。
ABAQUS 中有专门进行地应力分析的荷载步，命令*GEOSTATIC 。
在该步中，岩土体施加的是体积力。
在理想状态下，该作用力与岩土体的初始应力正好平衡，使得岩土体的初始位移为零，而形成了用户需要的应力场。
但在一些复杂的工程问题中，尤其是模型上表面不水平时，定义的初始应力场和位移场往往与施加的荷载并不平衡。
GEOSTATIC 分析步中，施加的荷载一般为重力(Grav)或体积力（Body Load ：BY 或BZ ）。
在非线性问题中，如果给定的初始应力场与GEOSTATIC 分析步中的荷载没有获得平衡，将可能导致非线性问题迭代的不收敛，得不到正确的结果。
那么就需要对初始应力进行调整。
另外，如果在GEOSTATIC 步中的岩土体变形太大，那也需要重新校核定义的初始应力场是否正确。
在大多数的地下工程中，岩土体的初始应力场即为自重应力场，其竖向应力随深度线性变化，水平应力与竖向应力为：z z σγ= （5-1）0x y z k σσσ== （5-2）式中，0k 为静止侧压力系数，01sin 'k ϕ=−或01k μμ=−。
对于由自重应力场和构造应力场组成的岩土体地应力场，水平应力与竖向应力为：x x z k σσ= （5-3） y y z k σσ= （5-4）式中，x k 、y k 分别为模型X 、Y 向的侧压力系数。
在INP 文件中，初始应力场的设定通过*initial conditions 命令实现： *initial conditions ，type=stress, geostatic Setname, stress1,coord1, stress2,coord2, k以上数据行的意义是：岩土体集合名，竖向应力1，竖向坐标1，竖向应力2，竖向坐标2，侧向压力系数。
对于地下工程数值计算模型上表面不为水平面时，初始地应力的平衡可采用以下两种方法分别实现平衡：自重应力场时：静止侧压力系数01sin 'k ϕ=−或01k μμ=−，对初始应力场采用文件输入：*initial conditions ，type=stress, input=filename, filename 文件可通过对模型进行一次静力计算的结果（即不运用*initial conditions ，仅在初始分析步中施加自重应力）然后导出相应的应力分量数据，生成数据文件完成。
自重应力场和构造应力场同时具备时可采用用户子程序SIGNI 实现，SIGNI 的基本程序模式： CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCSUBROUTINE SIGINI(SIGMA,COORDS,NTENS,NCRDS,NOEL,NPT,LAYER, 1 KSPT,LREBAR,NAMES) CINCLUDE 'ABA_PARAM.INC' CDIMENSION SIGMA(NTENS),COORDS(NCRDS) CHARACTER NAMES(2)*80定义SIGMA(NTENS)RETURN ENDCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC 5.2.2 喷锚支护在隧道及地下工程的ABAQUS 分析中，关于喷锚支护，涉及到锚固支护和衬砌支护。
锚杆一般采用杆单元或梁单元模拟。
对于非预应力锚杆而言，其模拟方式大致为：无论锚杆单元节点是否与围岩体节点重合，均可采用EMBEDDED （嵌入）指令。
如：*EMBEDDED ELEMENT ANCHOR这种模拟的方式是将锚杆单元节点通过插分形式嵌入到岩土体单元中，一起参与有限元迭代计算。
对于预应力锚杆而言，其模拟方式可分为以下二种：1.采用*initial conditions,type=stress赋予锚杆初始预应力。
命令流模式如下：******************************************************** *Element, type=T3D2,ELSET=E_rebar121 , 85, 8722 , 87, 8823 , 88, 8924 , 89, 9025 , 90, 9126 , 91, 9227 , 92, 9328 , 93, 9429 , 94, 9530 , 95, 9631 , 96, 9732 , 97, 9833 , 98, 9934 , 99, 10035 ,100, 10136 ,101, 10237 ,102, 10338 ,103, 10439 ,104, 10540 ,105, 10641 ,106, 10742 ,107, 10843 ,108, 10944 ,109, 11045 ,110, 11146 ,111, 11247 ,112, 11348 ,113, 11449 ,114, 11550 ,115, 86*EMBEDDED ELEMENT, EXTERIOR TOLERANCE=0.1E_rebar1*SOLID SECTION,ELSET=E_rebar1,MATERIAL=maosuo0.001134*MATERIAL,NAME=maosuo*ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC2.1E5,0.3*DENSITY0.00785*initial conditions,type=stressE_rebar1,186.6……………….……………….*STEPyuyingli*static 0.3,1.,,1 ….. *end step********************************************************说明：锚杆预应力在* initial conditions 中施加，到分析步中会有适量调整。
2. 采用降温法施加即赋予锚杆材料膨胀系数，锚杆应力：E T σα=⋅⋅Δ （5-5）式中：α为膨胀系数，T Δ为温度降低数值。
命令流模式如下：******************************************************** ………………. ……………….*EMBEDDED ELEMENT, EXTERIOR TOLERANCE=0.1 E_rebar1*SOLID SECTION,ELSET=E_rebar1,MATERIAL=maosuo 0.001134*MATERIAL,NAME=maosuo *ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC 2.1E5,0.3 *DENSITY 0.00785***定义锚索温度膨胀系数 *EXPANSION 1.0E-5 ………………. ………………. *STEP yuyingli *static 0.3,1.,,1 *temperature N_rebar1,-88.86 ….. *end step********************************************************说明：通过在材料定义中定义材料温度膨胀系数，然后在分析步中定义温度降低数值达到给预应力锚杆施加预应力的目的。
衬砌单元一般可用实体单元或梁单元模拟，两者的主要区别在于：用实体单元得不到衬砌的弯矩和轴力，而采用梁单元可以得到局部坐标系下的弯矩和轴力。
实体单元模拟的模式如下：******************************************************** ***定义与衬砌相接的围岩体节点*NSET,NSET=TUNNEL,UNSORTED100, 101, 102, 103, 104, 105, 106,2105, 2104, 2103, 2102, 2101, 2100***定义与围岩体相接的衬砌节点*NSET,NSET=LINER,GENERATE4000, 4012**多点约束*MPCTIE, LINER, TUNNEL********************************************************在一般的静力计算中，实体单元模拟还有一种方式：衬砌与围岩体相接的那部分节点依然取围岩体节点，但衬砌单元号发生改变，采用以下命令流方式：*ELCOPY,OLDSET=LINER,NEWSET=LINERN,ELEMENT SHIFT=5000,SHIFT NODES=0 梁单元模拟的模式如下：**********************************************************定义与衬砌相接的围岩体X向节点*NSET,NSET=TUN_IX,UNSORTED101, 102, 103, 104, 105, 106,2105, 2104, 2103, 2102, 2101**定义与衬砌相接的围岩体Y向节点*NSET,NSET=TUN_IY,UNSORTED100, 101, 102, 103, 104, 105,106, 2105, 2104, 2103, 2102, 2101, 2100**定义与围岩体相接的衬砌X向节点*NSET,NSET=LIN_JX,GENERATE4001, 4011**定义与围岩体相接的衬砌Y向节点*NSET,NSET=LIN_JY,GENERATE4000, 4012**X、Y自由度约束*EQUATION2,TUN_IX, 1, 1.0, LIN_JX, 1, -1.02,TUN_IY, 2, 1.0, LIN_JY, 2, -1.0********************************************************5.2.3 多步骤开挖ABAQUS模拟分析总的目标是确定模型对载荷的响应。