一种隧道开挖全过程模拟方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种隧道开挖全过程模拟方法。
【背景技术】
[0002] 现行的隧道模拟方法，一种是视围岩与衬砌为弹塑性体，通过单元格的生死模拟 隧道开挖和支护，杀死开挖单元后，直接激活衬砌单元。这种方法只能得到最终状态的结 果，无法模拟从开挖到封闭阶段隧道的变化，也不能体现围岩与初衬相互作用共同变形这 一过程。另一种是根据荷载一结构设计模型，采用弹簧单元模拟围岩与衬砌相互作用关系。 这种方法与实际施工中的新奥法不符，且不能考虑第三主应力。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种隧道开挖全过程模拟方法。 该方法视隧道施工中的围岩体为一种与时间相关的结构体，因此可采用模拟蠕变的方法， 模拟不同施工阶段下的围岩的动态变化，进而达到模拟整个隧道开挖过程的目的；该方法 包括如下步骤：
[0004] 1)岩石懦变试验：对所要模拟的隧道围岩取芯，加工成直径50mm高IOOmm的圆柱 型试件，进行传统的单轴蠕变试验，获得不同轴向应力状态下，试件蠕变应变随时间变化规 律；
[0005] 2)选用如下蠕变方程，对蠕变结果进行拟合：
[0007] 其中，￡"为岩石等效蠕变应变，t为时间，。为岩石等效应力，e为自然常数，T 为温度，Cl~c7为通过实验拟合得到的岩石参数；当不考虑温度效应时参数c4和c7为零， 该方程能够模拟蠕变初始阶段和二期蠕变阶段；
[0008] 3)把蠕变方程嵌入ANSYS中，设置控制时间长短，模拟隧道开挖全过程：
[0009] 3. 1)建立隧道开挖模型，并划分网格；模型中要包括初期支护和二衬；
[0010] 3. 2)围岩材料通过tb，creep命令，赋予通过实验拟合岩石参数；
[0011] 3. 3)模拟地应力：施加初始地应力，通过time命令，时间设为le-8 ;此处时间很 小，是为了忽略蠕变效应对地应力的影响；
[0012] 3. 4)模拟开挖到初期支护完成前：杀死开挖单元，但不激活初期支护，通过time 命令，时间设为tl，tl为实际施工中该阶段所用消耗的时间；
[0013] 3. 5)模拟初期支护到二衬完成前：激活初期支护，通过time命令，时间设为t2， t2_tl为实际施工中该阶段所消耗的时间为；
[0014] 3. 6)模拟隧道运营期：激活二衬，通过time命令，时间设为t3,t3-t2为隧道的运 营时间。
[0015] 本发明的有益效果是：能够模拟隧道开挖全过程中各施工阶段的围岩变化情况， 模拟结果能够指导实际隧道施工。
【具体实施方式】
[0016] -种隧道开挖全过程模拟方法，该方法包括如下步骤：
[0017] 1)通过岩石蠕变试验获得围岩蠕变规律：对所要模拟的隧道围岩取芯，加工成直 径50mm高IOOmm的圆柱型试件，进行传统的单轴蠕变试验，获得不同轴向应力状态下，试件 蠕变应变随时间变化规律。
[0018] 2)选用ANASYS隐式蠕变方程，对蠕变结果进行拟合：
[0020] 其中，￡"为岩石等效蠕变应变，t为时间，。为岩石等效应力，e为自然常数，T 为温度，Cl~c7为方程参数（通过实验拟合得到的岩石参数）；
[0021 ]当不考虑温度效应时参数(：4和c7为零，该方程能够模拟蠕变初始阶段和二期蠕变 阶段。
[0022] 3)把隐式蠕变方程嵌入ANSYS中，设置控制时间长短，模拟隧道开挖全过程：
[0023] 3. 1)建立隧道开挖模型，并划分网格；模型中要包括初期支护和二衬；
[0024] 3. 2)围岩材料通过tb,creep命令（即材料属性），赋予懦变材料参数（通过实验 拟合得到的岩石参数）；
[0025] 3. 3)模拟地应力：施加初始地应力，通过time命令，时间设为le-8;此处时间很 小，是为了忽略蠕变效应对地应力的影响；
[0026] 3. 4)模拟开挖到初期支护完成前：杀死开挖单元，但不激活初期支护，通过time 命令，时间设为tl，tl为实际施工中该阶段所用消耗的时间；
[0027] 3. 5)模拟初期支护到二衬完成前：激活初期支护，通过time命令，时间设为t2， t2_tl为实际施工中该阶段所消耗的时间为；
[0028] 3. 6)模拟隧道运营期：激活二衬，通过time命令，时间设为t3,t3_t2为隧道的运 营时间。
[0029] 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。
【主权项】
1. 一种隧道开挖全过程模拟方法，其特征在于，视围岩体为一种与时间相关的结构体， 采用蠕变方程，模拟不同施工阶段下围岩动态变化，进而达到模拟隧道开挖全过程的目的； 该方法具体包括如下步骤： 1) 岩石蠕变试验：对所要模拟的隧道围岩取芯，加工成直径50mm长IOOmm的圆柱型试 件，进行传统的单轴蠕变试验，获得不同轴向应力状态下，试件蠕变应变随时间变化规律； 2) 对蠕变结果进行拟合，获得蠕变方程参数，蠕变方程如下：其中，ε "为岩石等效蠕变应变，t为时间，σ为岩石等效应力，e为自然常数，T为温 度，Cl~c 7为通过实验拟合得到的岩石参数；当不考虑温度效应时参数c 4和c 7为零，该方 程能够模拟蠕变初始阶段和二期蠕变阶段； 3) 把蠕变方程嵌入ANSYS有限元软件中，设置控制时间长短，模拟隧道开挖全过程： 3. 1)建立隧道开挖模型，并划分网格；模型中要包括初期支护和二衬； 3. 2)围岩材料通过tb, creep命令，赋予通过实验拟合得到的岩石参数； 3. 3)模拟地应力：施加初始地应力，通过time命令，时间设为le-8 ;此处时间很小，是 为了忽略蠕变效应对地应力的影响； 3.4)模拟开挖到初期支护完成前：杀死开挖单元，但不激活初期支护，通过time命令， 时间设为tl，tl为实际施工中该阶段所用消耗的时间； 3. 5)模拟初期支护到二衬完成前：激活初期支护，通过time命令，时间设为t2, t2-tl 为实际施工中该阶段所消耗的时间为； 3. 6)模拟隧道运营期：激活二衬，通过time命令，时间设为t3, t3-t2为隧道的运营时 间。
【专利摘要】本发明公开了一种隧道开挖全过程模拟方法，其特征在于视隧道施工中的围岩体为一种与时间相关的结构体，因此可采用模拟蠕变的方法，模拟不同施工阶段下的围岩的动态变化，进而达到模拟整个隧道开挖过程的目的。步骤如下：1）通过岩石蠕变试验获得围岩蠕变规律；2）基于蠕变试验结果拟合出蠕变方程参数；3）把蠕变方程嵌入有限元软件中，通过设置控制时间长短，模拟隧道开挖全过程。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105069269
【申请号】CN201510600424
【发明人】任松, 姜德义, 吴建勋, 陈结, 邓高岭, 李振元, 欧阳讯, 蒲文明, 崔遥
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年9月18日