本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种考虑层理作用的软硬互层围岩隧道施工模拟方法。
背景技术：
ANSYS软件在岩土工程数值模拟中体现出了强大的功能，在现行的隧道施工模拟方法中，一种是采用弹簧单元模拟围岩与衬砌的力的传递作用关系，这种方法所施加的反力通常是根据经验确定的，且不能考虑第三主应力。另一种是将整个岩体看成一个横观各向同性体，此方法假定各土层间黏结牢固且不产生滑移，但是，本发明的发明人经过研究发现，该方法无法模拟开挖前后层理在隧道施工过程中产生的作用及变化，因而这与实际情况有一定出入，且该方法不适用于层理明显存在的软硬互层围岩。同时，现行模拟层理作用方法还具有非线性分析结果不收敛问题。
因此，上述现行模拟方法对层状围岩隧道实际修建的工程指导作用有限，采用应力释放的方法时，应力释放的多少，完全是凭借经验值，因而现行隧道施工模拟方法得出的结果的主观性较大。
技术实现要素：
针对现有模拟方法无法模拟开挖前后层理在隧道施工过程中产生的作用及变化，因而与实际情况有一定出入，且该方法不适用于层理明显存在的软硬互层围岩，同时现行模拟层理作用方法还具有非线性分析结果不收敛问题的技术问题，本发明提供一种考虑层理作用的软硬互层围岩隧道施工模拟方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种考虑层理作用的软硬互层围岩隧道施工模拟方法，包括以下步骤：
S1、获得围岩相关力学参数：采用岩石常规力学性质试验，按照《岩石物理力学性质试验规程》将所要模拟的隧道围岩加工成直径50mm长100mm的圆柱型标准试件，通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、剪切试验获得围岩相关力学参数，所述力学参数包括弹性模量、泊松比、密度、粘聚力和内摩擦角；
S2、对步骤S1试验获得的相应力学参数赋予围岩模拟单元，选用ANSYS软件自带的弹塑性本构模型、dp准则及其接触对作用进行模拟分析，其具体包括步骤：
S21、建立隧道开挖模型，并划分网格，且模型中要包括初衬和二衬；
S22、对围岩材料中包括弹性模量、泊松比、密度在内的线性参数通过mp命令进行定义，对围岩非线性分析所需的粘聚力、内摩擦角参数采用tb，dp命令，赋予通过步骤S1试验分析得到的岩石参数；
S23、模拟层理：整个岩体每个岩层模型之间不共线，同时没有任何交点，层理目标单元选用targe169(2D)或targe170(3D)，层理接触单元选用conta171(2D)或conta174(3D)，目标单元与接触单元组成接触对，其中targe单元用于模拟较硬岩层，为目标面，conta用于模拟较软岩层，为接触面；若锚杆或者隧道穿越两个或多个岩层时，需设置两个面域，其中一个面域的上下面赋上不同的围岩材料属性，另一个面域只赋单元属性不赋材料属性，并在层间线上赋接触对的单元属性及材料属性；
S24、层理参数设置：给层理设置具体的力学参数，包括粘聚力、内摩擦角、法向刚度和剪切刚度；
S25、对隧道开挖后不同岩性地层间的相互滑动及渗透进行处理分析，合理设置接触对外法线方向，模拟围岩存在层理条件下隧道开挖过程；
S26、模拟地应力：将水平方向的边界进行约束，使得边界在水平方向位移为零；对于竖直方向，底部位移同样进行限制，也为零；顶部是自由面位移 不受限制，在顶部施加重力荷载，模拟上覆岩层的自重；同时，该过程中杀死锚杆及衬砌单元，保证原岩应力下锚杆及衬砌无作用；
S27、模拟开挖到初衬：模拟地应力后，采用ekill命令杀死开挖岩体材料单元，进而模拟开挖过程，并采用ealive命令激活锚杆及衬砌材料单元，使其发挥作用，模拟初期支护过程。
与现有技术相比，本发明提供的考虑层理作用的软硬互层围岩隧道施工模拟方法，对于近水平软硬互层围岩隧道，采用接触分析体现层理的模拟，即用CONTA及TARGE接触对单元来模拟软硬岩层的接触界面；采用接触对模拟后，层理的存在对地层位移场变化产生了一定的影响，即能够模拟软硬互层围岩隧道开挖全过程中层理应力场、位移场等所产生的变化及影响，解决了模拟过程中非线性分析结果不收敛问题，使得位移场变化较采用现行隧道方法时大，模拟结果能反映出隧道开挖后是否产生离层等情况，模拟方法更加符合工程实际状况，模拟结果能够指导实际隧道施工。
进一步地，在步骤S21建立隧道开挖模型，并划分网格的过程中还包括：在实体模型上，使用线或面的倒角来使尖角光滑比，或者在曲率突然变化的区域使用更细的网格。
进一步地，在步骤S25中合理设置接触对外法线方向具体包括：对于2─D接触，当沿着目标线从第一个结点移向第二个结点时，变形体的接触单元必须位于目标面的右边；对3─D接触，目标三角形单元号应该使刚性面的外法线方向指向接触面，且外法线通过右手原则来定义。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
本发明提供的考虑层理作用的软硬互层围岩隧道施工模拟方法，视软硬互层围岩隧道施工过程中层理明显存在并对开挖具有明显影响，采用非线性接触分析，模拟层理明显存在的水平层状围岩隧道施工情况下的围岩及其层理的动态变化，进而达到模拟整个隧道开挖过程中层理对隧道产生影响的目的。此方法将各个岩层分开，并在层间界面设置接触对的过程中，保证每个接触界面不共线，贯穿岩层的线进行打断，保证打断处不共点，解决了简单条件下模拟层理时非线性结果不收敛问题。
当锚杆或隧道穿越两个甚至多个岩层时，锚杆加固区或隧洞将穿越不同岩性岩层，因此在穿越两岩层的锚杆加固区或隧道洞口处的接触对设置处理不当时，在该处还是会出现非线性分析结果不收敛问题。对于此问题，本发明也进行了改进，以锚杆加固区位于两个岩层中为例，采取设置两个面域的方式，一个是分别在上下两岩层中单独建立相应的面，同时赋单元属性及相应的围岩材料属性的面域；另一个是由锚杆加固区组成的，只赋单元属性而不赋材料属性的面域，最后在已赋材料属性的上下岩层面的层间线上赋上接触对所需的单元属性及其材料属性，因此解决了模拟层理存在时非线性分析结果不收敛问题，最终得出了本方法，具体如下所述。
一种考虑层理作用的软硬互层围岩隧道施工模拟方法，包括以下步骤：
S1、获得围岩相关力学参数：采用岩石常规力学性质试验，按照《岩石物理力学性质试验规程》将所要模拟的隧道围岩加工成直径50mm长100mm的圆柱型标准试件，通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、剪切试验获得围岩相关力学参数，所述力学参数包括弹性模量、泊松比、密度、粘聚力和内摩擦角；
S2、对步骤S1试验获得的相应力学参数赋予围岩模拟单元，选用ANSYS软件自带的弹塑性本构模型、dp准则及其接触对作用进行模拟分析，因为步骤S1中的各种压缩试验和剪切试验，只是获得了相应的曲线，而需要从曲线(岩土工程中称之为应力应变曲线)中得到数值，则需要进行数据的处理和分析，其具体包括步骤：
S21、建立隧道开挖模型，并划分网格，且模型中要包括初衬和二衬；
S22、对围岩材料中包括弹性模量、泊松比、密度在内的线性参数通过mp命令进行定义，对围岩非线性分析所需的粘聚力、内摩擦角参数采用tb，dp命令，赋予通过步骤S1试验分析得到的岩石参数；其中，所述tb，dp命令适用于激活非线性材料表并定义；
S23、模拟层理：整个岩体每个岩层模型之间不共线，同时没有任何交点，层理目标单元选用targe169(2D)或targe170(3D)，层理接触单元选用conta171(2D)或conta174(3D)，目标单元与接触单元组成接触对，其中targe单元用于模拟较硬岩层，为目标面，conta用于模拟较软岩层，为接触面；若锚杆或者隧道穿越两个或多个岩层时，需设置两个面域，其中一个面域的上下面赋上不同的围岩材料属性，另一个面域只赋单元属性不赋材料属性，并在层间线上赋接触对的单元属性及材料属性；
S24、层理参数设置：给层理设置具体的力学参数，包括粘聚力、内摩擦角、法向刚度和剪切刚度；
S25、对隧道开挖后不同岩性地层间的相互滑动及渗透进行处理分析，合理设置接触对外法线方向，模拟围岩存在层理条件下隧道开挖过程；因为模型需要根据实际的地层分布情况进行分析，哪些地方是砂岩和泥岩的分界面，该分界面处的线如何去打断；
S26、模拟地应力：将水平方向的边界进行约束，使得边界在水平方向位移为零；对于竖直方向，底部位移同样进行限制，也为零；顶部是自由面位移不受限制，在顶部施加重力荷载，模拟上覆岩层的自重；同时，该过程中杀死 锚杆及衬砌单元，保证原岩应力下锚杆及衬砌无作用；因为在初始状态下，地层中不具有锚杆和衬砌，是后期人为加上去的支护，因此开始需取消其作用，待开挖后进行支护阶段再进行激活；
S27、模拟开挖到初衬：模拟地应力后，采用ekill命令杀死开挖岩体材料单元，进而模拟开挖过程，并采用ealive命令激活锚杆及衬砌材料单元，使其发挥作用，模拟初期支护过程。
与现有技术相比，本发明提供的考虑层理作用的软硬互层围岩隧道施工模拟方法，对于近水平软硬互层围岩隧道，采用接触分析体现层理的模拟，即用CONTA及TARGE接触对单元来模拟软硬岩层的接触界面；采用接触对模拟后，层理的存在对地层位移场变化产生了一定的影响，即能够模拟软硬互层围岩隧道开挖全过程中层理应力场、位移场等所产生的变化及影响，解决了模拟过程中非线性分析结果不收敛问题，使得位移场变化较采用现行隧道方法时大，模拟结果能反映出隧道开挖后是否产生离层等情况，模拟方法更加符合工程实际状况，模拟结果能够指导实际隧道施工。
作为具体实施例，一个目标面可能由两个或多个面断的区域组成，此时应该尽可能地通过定义多个目标面来使接触区域局部比(每个目标面有一个不同的实常数号)刚性目标面上由的离散能足够指述出目标面的形状，过粗的网格离散可能导致收敛问题。作为一种实施方式，在步骤S21建立隧道开挖模型，并划分网格的过程中，如果刚性面有一个实的凸角，求解大的滑动问题时很难获得收敛结果，为了避免这些建模问题，在实体模型上，应使用线或面的倒角来使尖角光滑比，或者在曲率突然变化的区域使用更细的网格。注意：不能使用镜面对称技术(ARSYSM，LSYMM)来映射圆、圆柱、圆锥或球面到对称平面的另一边，因为每个实常数的设置不能同时赋给多个基本原型段。
作为具体实施例，在步骤S25中，合理设置接触对外法线方向(即检验目标面的接触方向)具体包括：目标面的结点号顺序是重要的，因为它定义了接触主向，对于2─D接触，当沿着目标线从第一个结点移向第二个结点时，变 形体的接触单元必须位于目标面的右边；对3─D接触，目标三角形单元号应该使刚性面的外法线方向指向接触面，且外法线通过右手原则来定义。
检查接触单元外法线的方向，当程序进行是否接触的检查时，接触面的外法线方向是重要的，对3─D单元，按结点程序号以右手定则来决定单元的外法线方向，接触面的外法线方向应该指向目标面，否则，在开始分析计算时，程序可能会认为有面的过度渗透而很难找到初始解。在此情况下，程序一般会立即停止执行，此时可以检查单元外法线方向是否正确。
命令：/PSYMS，ESYS，1
GUI：Utility menu>plotctrls>symbols
当发现单元的外法线方向不正确时，必须通过颠倒不正确单元的结点号来改变它们。
命令：ESURF，REVE
GUI：main menu>preprocossor>Create>Elements on free surf
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。