前 言
隧道开挖是隧道工程施工的重要环节之一，是工程建设的重要内容，直接决定着隧道工程项目目标的实现。自改革开放以来，我国土建行业得到迅猛发展，各种隧道开挖工艺不断发展，特别是一些大型有限元分析软件已具有强健的计算功能，拥有大量材料库、单元模型库和强大分析能力等。
ABAQUS软件是其中最先进的分析软件之一，在我国的土木工程等领域得到了广泛的应用。帕隆2#隧道属于川藏公路整治改建工程的一部分，在西藏林芝境内。该地区为高中山构造剥蚀地貌，帕隆臧布江流经隧道山体外，沿河一带地势陡峭，多为悬崖峭壁，岩体较破碎、自身承载力很弱,滑坡、泥石流、水毁、崩塌、岩堆等地质灾害严重。再者，本隧道属于小间距隧道，开挖难度较大，故在施工之前，利用ABAQUS软件，采用不同开挖方案分别模拟开挖过程，分析围岩应力应变关系。据此优选合理的开挖方案，调整施工方法与支护措施，这对于超前预知工程问题，保证围岩稳定、施工安全及施工进度都具有重要的意义。
小间距隧道的间距小于规定正常间距，属于一种新型结构型式，目前还处于研究和发展阶段。由于具有地形条件限制小、线形顺畅、施工周期较短和工程造价相对较低等优点，近些年逐渐受到工程界的重视。
目前国内外已有不少对于小间距隧道开挖问题的研究，研究的问题主要有合理间距、偏压、深浅埋等问题。在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从70年代就开始了小间距隧道研究,娶得了大量的成果。在国外已经修建的小间距隧道具有代表性的有：挪威的奥斯陆地下体育馆，跨度为15.5m的更衣室与跨度为25m的主馆间间距为12m；奥斯陆地下公路隧道为两并行隧道，跨度分别为12m和15.5m，隧道间距为8.0～20.0m，当其中一个隧道有小侧室（高1.5～2.0m，）时，局部地段两隧道在有小侧室的一侧可接近7m左右。
本次研究分析使用ABAQUS/CAE模拟隧道开挖过程。由于帕隆2#隧道所处围岩属于V级围岩，故本次研究所用开挖方案以分部开挖法为基础，依次采用单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法、台阶分部开挖法，分别利用ABAQUS软件结合帕隆2#隧道实际情况对四种不同的开挖方案建立模型。对比分析各方案结果中每个开挖步的应力位移等数据，从而优选出最佳的开挖方案。
通过本课题的研究，得出了双侧壁导坑法是帕隆2#最优开挖方案的结论，并对分部开挖法有了进一步的了解。同时，在整个毕业设计过程中，涉猎了大量的知识，查
阅资料的能力大大提高，对于ABAQUS软件的运用更加熟练，锻炼了建模分析与数据处理的思维以及认真细致的工作态度，使自己能更加有信心面对将来的工作和学习，做好迎接未来挑战的准备。
2014届工程力学专业毕业设计（论文）
目 录
第1章 绪 论 ................................................................................................................ 1
1.1 研究背景与选题依据 ....................................................................................... 1 1.2国内外的研究现状 ............................................................................................ 1
1.2.1隧道工程及其发展概况 ......................................................................... 1 1.2.2小间距隧道发展概况 ............................................................................. 5 1.3 本文研究的内容及意义 .................................................................................. 6
1.3.1本文研究内容 ....................................................................................... 6 1.3.2本文研究意义 ....................................................................................... 9
第2章 有限元基本理论及ABAQUS软件简介 ........................................................ 10
2.1有限元法简介 ................................................................................................. 10 2.2 有限元分析法的基本原理 ............................................................................ 11 2.3 有限元分析法的应用优点 ............................................................................ 17 2.4 国内外著名的有限元软件 ............................................................................ 18 2.5有限元软件未来发展前景 ............................................................................. 19 2.6 ABAQUS基础知识简介 ............................................................................... 20 2.7 ABAQUS各模块简介 ................................................................................... 21 2.8 ABAQUS分析过程 ........................................................................................ 23 2.9 ABAQUS/CAE简介 ...................................................................................... 24 第3章 隧道开挖方法 .................................................................................................. 26
3.1新奥法 ............................................................................................................. 26 3.2其他隧道开挖方法 ......................................................................................... 33 第4章 帕隆2#隧道开挖的数值模拟分析 ................................................................. 35
4.1模型简介 ......................................................................................................... 35 4.2开挖模拟 .......................................................................................................... 39
4.2.1方案1单侧壁导坑法开挖模拟 ........................................................... 39 4.2.2方案2双侧壁导坑法开挖模拟 ........................................................... 52 4.2.3方案3中隔法开挖模拟 ....................................................................... 56 4.2.4方案4台阶分部开挖法开挖模拟 ....................................................... 62 4.3不同方案结果对比分析 .................................................................................. 67 第5章 结论与展望 ...................................................................................................... 70
5.1结论 .................................................................................................................. 70 5.2展望 .................................................................................................................. 70 致 谢 ............................................................................................................................ 71 参考文献 ........................................................................................................................ 72
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摘 要
本论文以帕隆2#隧道开挖方案优化为研究对象，根据该隧道的围岩属性，拟采用单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、台阶分部开挖法、中隔壁法四种隧道开挖方案，利用ABAQUS有限元软件进行数值模拟。在进行数值模拟时，针对不同开挖方案指定相应的开挖步，并分析各开挖步围岩应力分布情况、关键点应力值以及最大应力值，分析围岩位移变化情况，从而了解每种开挖方案对围岩的影响。之后再将每种开挖方案得到的应力结果、位移结果进行对比分析，并结合施工技术要求确定最适用于本隧道的开挖方案。通过数值模拟分析，发现使用双侧壁导坑法开挖时，相对其他三种开挖方案有较大优势，比如围岩较大应力发生的范围小，围岩应力值及其变化幅度小；此开挖法工艺相对简易、开挖步少、对围岩的扰动小。所以，最终确定双侧壁导坑法为帕隆2#隧道的最优开挖方案。如果使用此法开挖，将降低施工难度，减少不必要的支护衬砌，开挖时间短，节省工期，节约成本，对于超前预知工程问题、保证围岩稳定、施工安全及施工进度也具有重要的意义。
关键词：帕隆2#，开挖方案，数值模拟,ABAQUS
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
ABSTRACT
The optimization of Palong 2# tunnel excavation scheme is researched in this paper. According to the tunnel surrounding rock properties, four kinds of tunnel excavation schemes, which are single side heading method, two side-wall pilot tunnel method, steps partial excavation method and CD excavation method are proposed to be adopted. Then ABAQUS finite element software is used to carry on the numerical simulation. When numerical simulation is done, According to different excavation schemes, the corresponding excavation steps are specified and surrounding rock stress distribution, stress value, the maximum stress value, key point stress, the change of the displacement of surrounding rock are analyzed for each excavation step. The purpose is to know the impact on the surrounding rock that the excavation schemes acted on. Then the results of the stress and displacement in each excavation scheme results will be analyzed and the most suitable excavation scheme for the tunnel can be determined. Combining with the construction technical requirements. Through the analysis to the numerical simulation, we can find that double wall pilot tunnel excavation method has great advantage relative to other three excavation schemes. Such that there is smaller range of stress of surrounding rock, surrounding rock stress value and its change is smaller, the excavation process is relatively simple and the excavation steps,disturbance of the surrounding rock is less. So ultimately double wall pilot tunnel method is determined to be the best optimal excavation scheme of the Palong 2# tunnel. If this method of excavation is used in the tunnel, the construction difficulty, unnecessary tunnel lining, the excavation time, and the costs can be less. Besides, for predicting engineering problems in advance, guaranteeing the stability of surrounding rock, construction safety and construction progress, this potion has the vital significance too.
Keywords: Pa Long 2# tunnel, excavation scheme, numerical simulation, ABAQUS
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第1章 绪 论
1.1 研究背景与选题依据
近年来随着我国基础建设的快速发展，我国步入了快速发展阶段。作为我国国民经济建设的基础性设施建设行业，公路、铁路在方便人们出行、提高人们生活质量等方面起着举足轻重的作用。由于我国东部交通建设已趋于饱和，而西部正处于大力发展阶段，目前越来越多的公路、铁路已在西部投入建设。而在西部、西南部地区，高陡坡、沟壑纵横，为了满足道路线形和自然环境保护的需要，公路铁路常常不可避免的需要翻山越岭或者穿山而过，这就对设计、施工等技术提出了更高的要求。就穿山隧道而言，由于西部地区山体多地势陡峭、悬崖峭壁较多，岩体较破碎，有的甚至发育有一定规模的崩塌、滑坡、坡面泥石流等地质灾害。此外，穿山隧道还需考虑基岩裂隙防水、地应力及岩爆等问题，技术难度较大。
帕隆2#隧道就属于工程地质条件复杂、开挖难度大的隧道。该隧道属于川藏公路整治改建工程的一部分，在西藏林芝境内。该地区为高中山构造剥蚀地貌，帕隆臧布江流经隧道山体外，沿河一带地势陡峭，多为悬崖峭壁，岩体较破碎、自身承载力很弱,滑坡、泥石流、水毁、崩塌、岩堆等地质灾害严重。再者，本隧道属于小间距隧道，这是一种新型结构型式，本身还处于研究发展阶段，又较大程度的加大了工程难度。因此在工程施工之前，有必要对该隧道的围岩稳定性、隧洞受力变形及其应力应变状态、双洞间距等问题进行分析研究。
1.2国内外的研究现状
1.2.1隧道工程及其发展概况
隧道通常指用作地下通道的工程建筑物。一般可分为两大类：一类是修建在岩层中，称为岩石隧道；一类是修建在土层中，称为软土隧道。岩石隧道修建在山体中的较多，故又称为山岭隧道；软土隧道常常修建在水底和城市立交，故称为水底隧道和
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王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
城市道路隧道。埋置较浅的隧道，一般采用明挖法施工；埋置较深的隧道则多采用暗挖法施工。用作地下通道的有公路（道路）隧道、水底隧道、城市道路隧道、地下铁道、铁路隧道和航运隧道等。
隧道在山岭地区可用做克服地形或高程障碍、改善地形、提高车速、缩短里程、节约燃料、节约时间、减少对植被的破坏、保护生态环境；还可用作克服落石、坍方、雪崩、崩塌等危害。在城市可减少用地、构成立体交叉、解决交叉路口的拥挤阻塞和疏导交通。在江河、海峡、港湾地区，可不影响水路通航。修建隧道能使路线平顺、行车安全、节约费用，能提高舒适性，战时能增加隐蔽性和提高防护能力，并且不受气候影响。
隧道是地下工程建筑物，为保持坑道岩体的稳定，保障交通安全，需要修筑主题建筑物和附属建筑物。前者包括洞身衬砌和洞门建筑，后者包括通风、照明、防排水、安全设备等。
洞身衬砌的作用是承担围岩压力、结构自重和其它荷载，防止围岩塌落、风化，防水、防潮灯。洞门的主要作用是防止洞口塌方落石、保持仰坡和边坡稳定。通风、照明、防排水、安全设备等的作用是确保行车安全、舒适。
隧道衬砌在结构计算理论和施工方法两方面与地面结构物相比有很多不同之处，最主要的是埋置在地层的衬砌结构所承受的荷载比地面结构复杂。所以在设计衬砌时，除计算复杂多变的围岩压力外，还要考虑围岩的自称能力以及衬砌与围岩之间的相互作用。
隧道施工与地面建筑物施工也不同，空间有限、工作面狭小、光线暗、劳动条件差，给施工增加了难度。隧道在勘察设计时地质条件是重要依据之一。从规划设计初期开始，就应该在较大范围内把地质调查工作摆在头等重要位置上，做好详细的工程地质调查和水文地质调查，以便选择合理的隧道位置，考虑好与引线的接线方式，判断可能的断面形状和施工方法以及可能遇到的问题等。
隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石，形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道长期地安全使用。
一个多世纪以来，世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各种围岩的多种隧道施工方法。习惯上将它们分成为：矿山法、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等。
隧道工程的施工条件是极其恶劣的，尽管各种地下工程专用工程机械越来越多，在新奥法理论指导下施工方法得到了根本性的改变，这得益于科技的发展，但体力劳
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动强度和施工难度仍然很高。历史上为了减轻劳动强度，人们曾经做过不懈的努力。在古代一直使用“火焚法”和铁锤钢杆等原始工具进行开挖，直到19世纪才开始钻爆作业，至今大约一百多年的历史。在此期间发明了凿岩机，经过将近一个世纪的努力，发展成为今天的高效率大型多臂钻机，使工人们能从繁重的体力劳动解放出来。和钻爆开挖法完全不同的还有两种机械开挖法，一种是用于开挖软土地层的盾构机，发明于1818年。经过一个半世纪的不断改进，已经从手工开挖式盾构，发展到半机械化乃至全机械化盾构，能广泛用于各种复杂的软土地层的掘进；另一种是用于中等以上坚硬岩石地层的岩石隧道掘进机。首次试掘成功的隧道掘进机，诞生于1881~1883年，到现在已有一个多世纪的光景。目前，已经发展成大断面（直径10m以上）的带有激光导向和随机支护装置的先进的掘进机，机械化程度大大提高，加上辅助的通风除尘装置，使工作环境得到了很大改善。目前应用高压水的射流破岩技术已经过关，它能以很快的速度在花岗岩中打出炮眼，再在坑道周边用高压水切槽，然后爆破破岩。优点是减少超挖，可以开凿出任意断面形状的坑道，保护围岩，降低支护成本，并能增加自有面以减少炮眼数和降低炸药消耗量。但消耗功率较大，设备成本较高，技术上还未大到十分成熟的程度。
隧道工程的专门著作，可能要推1556年德国人乔治•包尔（Georg Bauer）所著的《采矿冶炼手册》（De Re Metellica）为最早，虽然那时还没有开始用上火药开矿。
地层压力的研究开始于14世纪。此后随着采矿和隧道工程的发展，地层压力理论也在相应的发展着。这种研究基本上沿着两个方向进行，一个是把地层视为松散构造的散粒体理论，另一个是把地层视为连续弹性弹塑性理论。近百年来，从理论上和工程实践中对地层压力进行了极广泛的研究，获得了不少成果，但仍未得到系统、圆满、严密的理论，直到今天仍在不断的进行着新的探索。
20世纪初，普氏以均质松散体为基础，提出了地层压力的计算方法，但他把岩石定位松散体，并把复杂的岩体之间的联系用一个似摩擦系数描写，这种做法显然过于粗糙，在工程中也常常出现失败的情况。不过，直到现在普氏理论还在应用着，因为这个方法比较简单。即使对不熟悉地质或不了解现场地质条件的人，也能应用普氏理论来进行设计。
我国著名学者陈宗基教授，在1958年首次把岩石力学作为一门边缘科学来发展。过去基本上是把岩石当做材料进行研究的。他强调必须用力学的观点，以地质为基础来解决工程实际问题。在研究中，既要重视岩石的变形强度特性、结构关系的理论研究，又要解决工程实践提出的各种问题，并指出现场试验与室内试验是相辅相成和不可分割的，强调问题的关键在于要有正确的概念。他首先引用流变理论研究岩石的变
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王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
形特性，指出即使在坚硬岩石中修建地下洞室，也要考虑流变对长期稳定的影响。还从板块运动、地应力的产生，分析了对高地应力地区工程建设的影响，用封闭地应力的概念了解工程中各种特殊现象，如岩爆等。此外，还从微观结构分析了膨胀岩的破坏机制等等。所有这些都给地下工程的研究、设计和施工以巨大的推动和提出了心得理论依据。
在全国解放后，我国公路隧道数量仅有30多座，其总长约为2.5km左右，其平均长度不足百米。1964年在北京至山西原平的四级公路上修建了两座200m以上的公路隧道，已经是非常大的工程。在改革开放后，高等级公路迅猛发展，出现了为数不少的长大、特长乃至超长隧道。拒不完全统计，1993年全国有将近七百座二级以下公路隧道。2000年，我国公路隧道已达1684座，里程达628km，其中特长隧道为54km/15座、长隧道为207km/135座。2004年，全国已拥有公路隧道2495座，总长1245571延米。随着高等级公路的继续发展，还会有更多的公路隧道出现。在高等级公路网中公路隧道发挥了突出的作用，使公路变得畅通、顺适，大大缩减了里程，对国民经济的发展起到了极大的促进作用，为用户提供了安全、方便、快捷、经济的交通运输条件。
今后，随着能源问题的矛盾日益尖锐，隧道会越来越受到用户的欢迎，因其在节能中的作用是特别值得重视的。
事物总是存在着两面性。隧道在为用户提供了方便的运输条件的同时，也增加了运输成本，为了使用户享有各种便捷舒适的交通环境，往往在设计过程中选择低线位，从而使线路大大减少了爬坡路段的长度，同时也节省了油耗，用户获得了最大限度的受益。但运营管理部门却不得不付出最高的成本，在交通量尚未达到足够数量之前，往往入不敷出。为此，有的甚至基本上不使用通风机，更有甚者连最基本的照明灯具也不能开启，使问题走向了反面。此外，营运安全性也变得越来越小，因为，隧道越长安全隐患也越多，救援与疏散也越困难，设施的附加成本也越高。由于隧道是线性结构物，从设备的合理设计上考虑，长度大于2~2.5km以上的隧道，无论供电、消防、供水都会变得不经济或变得很困难，不得不增加许多附加设备，从而增加了成本。设备越多，营运、养护管理也越困难，成本也越高。尤其像秦岭那样―金‖字塔形的纵断地形，长度过大的隧道会带来许多问题。技术性的难题多投入建设成本尚可解决，安全隐患却难以克服，如果没有足够的管理应急预案，那将会产生灾难性后果。
公路隧道工程是一门综合性学科，作为一名公路隧道工程的工程师需要具备相当多的基础知识，除一般土木工程知识外，还应具备一定的交通工程、通风、照明、机电（强电、弱电）、营运管理等方面的知识。
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1.2.2小间距隧道发展概况
小间距隧道，即单向双洞的情况下，通常两个隧洞之间考虑到施工以及结构稳定，一般要保持一定的间距，而小于规定正常间距的隧道，属于一种新型结构型式，目前还处于研究和发展阶段。由于具有地形条件限制小、线形顺畅、施工周期较短和工程造价相对较低等优点，近些年逐渐受到工程界的重视。
小间距隧道研究主要以实验模拟和施工监测两大方面作为出发点。 实验模拟一般采用有限元软件FLAC
3D
三维弹塑性数值仿真计算等数值分析方法来对比分析围岩
变形位移、中夹岩应力、塑性区分布特点及其变化规律、衬砌压应力相互扰动情况。施工监测即采用不同的施工方法，比如常见的TBM法、掘进机法、新奥法以及采用不同顺序施工的方法，监测对比分析其数据结果，最后优选合理的结构设计和施工方法。
该类研究的内容一般着眼于间距大小、跨度大小、偏压问题、浅埋、施工方法与监测。目前，高等级围岩下小间距隧道合理间距问题、小间距隧道施工中偏压问题以及浅埋小间距隧道研究比较多，成果也颇为理想。
文献[2]以黄衢南高速公路衢黄段黄岭底小间距隧道工程为依托，采用了有限差分法（FLAC
3D
）对不同间距下的小间距隧道进行弹塑性数值仿真模拟研究，对比分析
隧道围岩中夹岩位移场、应力场、塑性区及其变化规律的特点。进而得出敏感突变阶段（10m～12m）为V级围岩下的中夹岩合理厚度。
由于小间距隧道施工过程中左右两洞不可能完全同时施工，故偏压问题永远不可能避免。而且因为是小间距，偏压往往比较严重，使之成为该类工程的难点、关键点。对此许多专家已有很多研究,比如文献[3-6]对不同情况下小间距隧道中的偏压问题作了研究。其中文献[3]提出了“偏压系数”（即隧道左右对此的围岩应力之比）的概念。该文以地铁超小间距隧道施工中的偏压及其规律为研究目标，根据广州地铁三号线岗石区间超小间距隧道的施工实践，采用实测资料分析和工程类比相结合的方法，分析偏压的形态、量值及变化过程，阐述了对小间距隧道偏压的新认识。
与偏压问题类似，由于城市地铁建设步伐的加快，浅埋甚至超浅埋隧道在隧道建设中越来越多，这促进了对浅埋隧道的研究。除文献[4、6]外，文献[7-10]均对此作了大量细致的研究。对于浅埋小间距隧道研究主要集中在围岩、拱顶衬砌支护问题上。如文献[7]就采用FLAC
3D
有限元模拟隧道开挖后围岩的变形机理，得出围岩变形的空
间效应特性曲线，确定围岩变形幅度和范围，找出最不利荷载工况和结构薄弱部位，从而为施工方案提供理论依据和决策支持。文献[7]则从边洞、中洞先后施工顺序不同
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王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
的角度出发，阐述了不同施工方法对围岩压力、支护结构安全性的影响。而文献[9]提出了围岩压力与侧压力系数的计算方法。文献[9]指出了浅埋暗挖法具有比盾构法灵活性更高、对地层适应性更强、规避了明挖法对地面造成干扰的优点。
除了以上几个方面，大跨度隧道（文献[11]）、海底隧道（文献[12]）、低预应力锚杆技术（文献[13]）等技术在小间距隧道中的应用也在不断研究中。
在日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，从70年代就开始了小间距隧道研究,娶得了大量的成果。在国外已经修建的小间距隧道具有代表性的有：挪威的奥斯陆地下体育馆，跨度为15.5m的更衣室与跨度为25m的主馆间净距为12m；奥斯陆地下公路隧道为两并行隧道，跨度分别为12m和15.5m，隧道净距为8.0～20.0m，其中一个隧道有小侧室（高1.5～2.0m，）时，局部地段两隧道在有小侧室的一侧可接近7m左右。日本铁道技术协会认为平行隧道的中心距约为开挖宽度的2倍（地层看作完全弹性体），而在粘性土等地层中，则为开挖宽度的5倍，并且规定平行隧道的中心间距为30m（约为3B）；Hiroshi KURIYAMA结合福冈市3号地铁线对岩柱加固方法、监控量测、硬岩中小净距的断面形式、施工措施和爆破控制进行了研究；日本道路公团对在建中的第二（东）名（古屋）神（户）高速公路等重要干线高速公路，及中心城区周边公路中出现的大量小间距隧道，进行了大规模的技术研究；德国的渡鸿地铁隧道，施工中借鉴了三维数值仿真结果，使净间距仅1.2m的地铁隧道建造成功(文献[14])。
1. 3 本文研究的内容及意义
1.3.1本文研究内容
由于时间问题以及本人能力有限，本文仅分析帕隆2#隧道的开挖问题，结合隧道实际情况，提出不良地质条件下隧道开挖的技术方案，每种方案利用ABAQUS有限元软件分别建立帕隆2#隧道的有限元模型，研究分析不同开挖方法对隧道围岩稳定的影响，分析开挖工艺对隧道围岩稳定性的影响规律，从而选取适用于帕隆2#隧道的最佳开挖方案。
以下对研究对象帕隆2#隧道概况做介绍。
帕隆2#隧道内轮廓及建筑界限设计图如图1. 1所示：
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(a)
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图1. 1内轮廓及建筑界限设计图
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王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
内轮廓参数：
图1. 2内轮廓参数
帕隆2#隧道位于林芝县排龙乡，隧道测设里程为K4101+108～K4103+195，隧道长2087m，属傍山长隧道，隧道总体走向为SW12°，最大埋深约551m，进口设计高程为2086.00m，出口设计高程为2033.04m，纵坡为-1.596%～-2.641%。
地形地貌：隧址区属高中山构造剥蚀地貌，山体呈近南北向展布。隧道段微地貌为山麓斜坡。帕隆臧布以及东久河呈―U‖形河谷流经隧道山体外，沿河一带地势陡峭，多为悬崖峭壁。岩体较破碎，发育规模较大的崩塌、滑坡、坡面泥石流等地质灾害。坡面植被发育，山麓斜坡低洼处，覆盖层厚约5～50m。隧道进口接近破龙沟特大桥，进洞口所在斜坡仰角约30°，植被茂盛，整个进口段位于B13崩塌体内，目前，该崩塌处于稳定状态。隧道出口位于排龙停车场西侧斜坡坡脚处，从山体内向外延与现有国道318衔接。洞口仰坡平均坡度月37°，上部覆盖3m厚崩坡积物碎石土，下伏基岩为二云石英片岩，局部基岩裸露，植被较发育，出口段偏压现象明显。
不良地质：隧址区内发育的不良地质现象主要为断裂构造、崩塌、泥石流等。由于隧址区内坡陡，在发生大规模降雪天气下，山顶积雪有崩塌的可能，主要影响隧道进出口。
地应力及岩爆：勘察区位于雅鲁藏布江大拐弯前缘，在区域地质构造上恰好处于南迦巴瓦构造楔进地体与冈底斯——念青唐古拉板块的结合部位。位于帕隆——旁辛深断裂带及嘉黎深断裂带之间，据《国道318线川藏公路整治改建工程通麦至105道班段场地地震评价及断层活动性鉴定报告》，勘察区内断裂带为第四系晚更新世活动断裂，据中国地震地壳应力研究所利用勘察区及周围地区震源机制资料对区域构造应力场进行反演计算所得结果，勘察区及周围地区现代构造应力场所呈现的基本特征为北东——南西向挤压，最大主应力б1方位为221°，倾角为4°，中间应力б2为121°，倾角为最小主应力б3方位为312°，倾角为20°。勘察区位于峡谷区，属应力释放区，三组应力中，其中中间主应力为倾角近垂直，追平向主应力б1=18381kPa。根据上述应
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力场环境，考虑埋深，岩石饱和抗压强度，隧道埋深大于504.16m，二云石英片岩可能产生弱～中岩爆，属于高应力区。
工程概述
川藏公路通麦～105道班段为川藏公路―卡脖子‖地段。勘察区属高中山深切割地貌，地形陡峭，地貌单元多，地层较复杂，植被发育，第四系厚度较大，基岩覆盖严重。勘察区在大地构造上位于冈底斯山喜马拉雅期岛弧构造范围内，区内断裂构造极其发育，滑坡、泥石流、水毁、活动性断层、崩塌及岩堆等地质病害发育，工程地质条件复杂。本标段共设长隧道一座，长度2087m。
隧道主体工程设计范围
本项目隧道为山岭岩土隧道，主体土建设计范围包括了洞门、明洞。暗洞、隧道防排水、洞内路面、电缆槽、路面排水边沟等。明洞部分采用明挖顺作法施工（放坡开挖，逆做防护），暗洞采用新奥法施工；并根据隧道洞口位置、地形条件、边仰坡稳定情况灵活采用偏压明洞、半明暗进洞等各种措施。
隧道工程施工标准
隧道工程按单洞双向两车道40km/h二级公路标准进行设计，主要设计标准如下： 设计速度40km/h；隧道建筑界限按《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）设计，采用单洞限宽9.00m,组成为：（0.75+0.25+3.50+3.50+0.25+0.75）m；限高5.0m。预测2033年年平均日交通量：客车1712pcu/d，货车4247pcu/d。设计计算路面荷载：公路II级。
1.3.2本文研究意义
由于时间问题以及本人能力有限，本文仅分析帕隆2#隧道的开挖问题，结合隧道实际情况，提出不良地质条件下隧道开挖的技术方案，每种方案利用ABAQUS有限元软件分别建立帕隆2#隧道的有限元模型，研究分析不同开挖方法对隧道围岩稳定的影响，分析开挖工艺对隧道围岩稳定性的影响规律，及时掌握围岩应力状态、位移状态及其变化规律，据此采用相应合理的工程方案、调整施工方法、支护措施，以便给实际工程中隧道设计和施工提供参考。这对于超前预知工程问题，保证围岩衬砌的稳定、施工安全及施工进度也具有重要的意义。
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王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
第2章 有限元基本理论及ABAQUS软件简介
2.1有限元法简介
有限元法(Finite Element Method，FEM)，是计算力学中的一种重要的方法，它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元法最初应用在工程科学技术中，用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题，有限元法则是一种有效的分析方法。有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域；然后对单元(小区域)进行力学分析，最后再整体分析。这种化整为零，集零为整的方法就是有限元的基本思路。
（1）就国外发展来说，20世纪50年代，有限元法作为处理固体力学问题的方法出现。1943年，Courant第一次提出单元概念。1945～1955年，Argyris等人在结构矩阵分析方面取得了很大进展⋯ 。1956年，Turner、Clough等人把刚架位移法的思路推广应用于弹性力学平面问题⋯ 。1960年，Clough首先把解决弹性力学平面问题的方法称为“有限元法‖，并描绘为“有限元法一Rayleigh Ritz法+分片函数”。 FEM 理论研究的重大进展，引起了数学界的高度重视。自2O世纪6O年代以来，人们加强了对FEM 数学基础的研究。如大型线性方程组和特征值问题的数值方法、离散误差分析、解的收敛性和稳定性等。FEM 理论研究成果为其应用奠定了基础，计算机技术的发展为其提供了条件。20世纪70年代以来，相继出现了一些通用的有限元分析(FEA：Finite Element Analysis)系统，如SAP、ASKA、NASTRAN等，这些FEA 系统可进行航空航天领域的结构强度、刚度分析，从而推动了FEM 在工程中的实际应用。20世纪80年代以来，随着工程工作站的出现和广泛应用，原来运行于大中型机上的FEA系统得以在其上运行，同时也出现了一批通用的FEA系统，如ANSYS—PC、NISA，SUPERSAP等。20世纪90年代以来，随着微机性能的显著提高，大批FEA系统纷纷向微机移植，出现了基于Windows的微机版FEA系统。
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（2）就我国有限元法的发展，是从八十年代开始的。在1981年ADINA飞线性结构分析程序的引进，一时间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解。大家也都开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是当时限于国内大中型计算机很少，大约只有杭州汽轮器厂的Siemens7738和沈阳鼓风机厂的IBM4310安装有上述程序，所以用户算题非常不方便，而且费用昂贵。PC机的出现及其性能奇迹般的提高，为移植和发展PC版的有限元程序提高了必要的运行平台，可以说国内FEA软件的发展一直是围绕着PC平台做文章。在国内开发比较成功并拥有较多用户的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84,中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。我们现在正处在学习和追赶世界发展水平的阶段。
2.2 有限元分析法的基本原理
一、基本思想
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思想是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
（1）物体离散化
将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一部称作单元部分。 离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定。用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获 得的结果就与实际情况相符合。
（2）分析单元的力学性质
根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚 度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。
（3）选择位移模式
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位移法：选择节点位移作为基本未 知量称为位移法； 力法：选择节点力作为基本未 知量时称为力法；
混合法：取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。 位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。 （4）计算等效节点力
物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元 传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代 替所有作用在单元上得力。
（5）单元组集
利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程：
KU=F （2.1） 式中：K是结构的总体刚度矩阵；U是节点位移列阵；F是载荷列阵。 确定总体刚度方程的方法有三种： 1.直接利用总体刚度系数的定义
在求出整体结构中各节点力和节点位移关系的基础上获得总体刚度矩阵。此方法只在简单情况下才能采用。
2.集成法
将整体坐标系的单元刚度矩阵按照节点编码顺序对号入座，迭加形成总体刚度矩阵。
3.利用节点间的刚度系数直接写出总体刚度矩阵
总体刚度矩阵对角线上的刚度系数Kij等于连接节点i和节点j之间几个单元的刚度系数之和。
（6）求解未知节点位移
可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。
节点的支撑条件有两种：一种是节点沿某个方向的位移为零，另一种是节点沿某个方向的唯一为一给定值。
（7）计算单元内部应力和应变
根据求解的节点位移，采用所选定的位移函数，计算单元内非节点处的应力和应变。
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通过上述分析，可以看出，有限元法的基础思想是“一分一合”。分是为了进行单元划分，合则是为了对整体结构进行综合分析。
二、设计方法
（1）划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号 （2）选定直角坐标系，按程序要求填写和输入有关信息。
（3）使用已经编好的程序进行上机计算。计算程序中对输入的各种信息进行加工、运算。
（4）对计算成果进行整理、分析，用表格或图线示出所需的位移及应力。 事实上，当划分的区域足够小，每个区域内的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但是计算量相应增大。为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个平衡点。
有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来，可以用一个简单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力，求解过程只需要计算出结点处的应力或者变形，非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的，换句话说，有限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。
大多数有限元程序都是以结点位移作为基本变量，求出结点位移后再计算单元内的应力，这种方法称为位移法。
有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法，认识到这一点以后，从70年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。
三、单元分析
单元分析首先要进行单元划分。在工程结构中，一般采用四种类型的基本单元，即标量单元、线单元（杆、梁单元）、面单元和体单元。而单元划分一般注意下面几点：
1)从有限元本身来看，单元划分的越细，节点布置得越多，计算的结果越精确。但计算时间和计算费用的增加。所以在划分单元时对应兼顾这两个方面。
2)在边界比较曲折，应力比较集中，应力变化较大的地方，单元应划分的细点，而在应力变化平缓处单元划分的大些。单元由小到大应逐渐过渡。
3)对于三角形单元，三条边长应尽量接近，不应出现钝角，以免计算出现较大的偏差。对于矩形单元，长度和宽度也不应相差过大。
4)任意一个三角形单元的角点必须同时也是相邻单元边上的角点，而不能是相邻单元边上的内点。划分其他单元时也应遵循此原则。
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5)如果计算对象具有不同的厚度或不同的弹性系数，则厚度或弹性系数突变之处应是单元的边线。
6)应力分布在载荷有突变之处或是受有集中载荷处布置点处，其附近的单元也应划分的小一点。
单元划分完毕后，要将全部单元及全部节点按一定顺序编号，单元号及节点号均不能有错漏或重复。
每个单元所受的载荷均按静力等效的原则移置到节点上，并在位移受约束的节点上根据实际情况设置约束条件。
单元分析的主要任务是：求出单元节点位移和节点力之间的转换关系。而对于一个复杂的弹性体，要用某种函数来描述整体内任一点的位移是不大可能的。但当把弹性体离散化为许多细小的单元，则在一个单元的局部范围内可以把某一点的位移近似表达为其坐标函数，这表达式称为单元位移模式。任何单元德单元分析都应首先确定其位移模式，然后逐渐推导出单元刚度矩阵，并同时求出单元内各点应变的方程。通过应变的方程推导出单元内各节点应力，最后，再根据虚功原理求单元节点力---既作用于节点的外力，同时得出节点位移求节点力的转换矩阵，即单元刚度矩阵，这样，单元分析就完成了。下面通过单元分析的公式示意图说明单元间各环节的关系。
Fen1m1m1BTt
Dm m
Bmnen1 图2. 1 单元分析公式示意图
K e B T D B t (2.2) 图中注明了各矩阵阶数。上式中
nneBD―单元节点位移： ―应变与位移关系矩阵； ―单元内各点应变； ―应力应变关系矩阵； ―单元内各点应力；
t―单元厚度；
Feke
―单元节点力 ―单元刚度矩阵
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由此图得出
的公式： 1) 由节点位移 e求应力
（2.3） DDBeeeF的公式： 2) 由节点位移 求节点力
TFe BtBTDtBTDBet（2.4）
或写成
eFe ke（2.5）
kBDBt其中 （2.6）
eT3、整体分析
整体分析就是建立各单元之间和整体结构之间的联系，建立起整体刚度矩阵：先
kij送到整体刚度矩阵中相对各个单元求出单元刚度矩阵 ke，然后将其中的每个子块 应位置，在同一位置上若有几个单元的相应子块送到，则进行迭加以得到整体刚度矩阵的子块从而形成整体刚度矩阵[K]。然后，加入载荷向量{P}和边界条件，再根据整体结构矩阵可以求出整体结构的节点力向量和节点位移向量之间的关系。
整体刚度矩阵的建立是根据任一点中的第j个节点上的节点力等于该单元三个节点i，j，m的节点位移在节点j上的节点力之迭加。而在整体结构中一个节点往往为几个单元所共有，则在这个节点上的节点力就应该是：共有这节点的几个单元的所有节点位移在该节点上引起的节点力之迭加。
在工程技术领域中，绝大多数问题尽管已得到其基本方程和边界条件，但仍得不到解析解。于是引入简化假设，求得问题在简化状态下的近似解，由于问题的复杂性，这种近似解往往导致误差过大甚至是错误的结论。另辟蹊径的有限元法则是保留问题的复杂性，利用数值计算方法求得问题的近似数值解。
有限元法一开始就对一个连续体用有限个（然而是大量的）坐标或自由度来近似地（然而是系统的）加以描绘。一个离散化的结构可由许多结构单元组成，这些单元仅在有限个结点上彼此铰结。每一单元所受的已知体力和面力都按静力等效原则移置到结点上，成为结点荷载。计算通常采用位移法，取结点的未知位移分量 为基本未知量。为了在求得结点位移后可求得应力，必须建立单元中应力与结点位移的关系，由应力转换矩阵[S]表达。
首先利用弹性力学的几何方程写出单元应变与结点位移的关系矩阵，称应变矩阵 [B]，即
e e ee{}[D]{}[D][B][S]{} (2.7) e{}[B]{]e
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再由材料的本构关系（即物理方程），得到单元弹性矩阵[D]，从而推出用结点位移表示单元应力表达式
{ζ}=[D]{ε} =[ D][ B]{δ}=[ S]{δ} (2.8)
其中，[S] = [D][B]。
然后考虑结点平衡求得单元结点力与结点位移的关系，由矩阵 k e表示，称单元刚度矩阵。根据虚功原理或最小势能原理（平衡条件），也可导出用结点位移表示结点力的表达式
eee e
[F]e[B]T[D][B]dxdydz{}e{k}e{}e其中，单元刚度矩阵
{k}e[B]T[D][B]dxdydz[B]T[D][B]V (2.9)
(2.10)
e利用虚功原理（或变分原理）可同时导出单元等效结点力 F 。
有限元法是应用局部的近似解来建立整个定义域的解的一种方法。先把注意力集中在单个单元上，进行上述所谓的单元分析。基本前提是每一单元要尽可能小，以致其边界值在整个边界上的变化也是小的。这样，边界条件就能取某一在结点间插值的光滑函数来近似，在单元内也容易建立简单的近似解。因此，比起经典的近似法，有限元法具有明显的优越性。比如经典的 Ritz 法，要求选取一个函数来近似描述整个求解区域中的位移，并同时满足边界条件，这是相当困难的。而有限元法采用分块近似，只需对一个单元选择一个近似位移函数，且不必考虑位移边界条件，只须考虑单元之间位移的连续性即可。对于具有复杂几何形状或材料、荷载有突变的实际结构，不仅处理简单，而且合理适宜。 在经逐个单元（逐个结点）叠加其贡献予以集合（整体分析）后，生成结构刚度矩阵[K]（也称总刚）、荷载列阵{F}和结构结点位移列阵{δ}，并利用平衡条件建立表达结构的力-位移的关系式，即所谓结构刚度方程：
[K ]{δ}= { F } (2.11) 考虑几何边界条件作适当修改后，求解上式所示的高阶线性代数方程组，得到结构所有的未知结点位移（同矩阵位移法）。最后利用式（2.8）和已求出的结点位移计算各个单元的应力，并经后处理软件整理、显示计算结果。
单元内任一点位移与结点位移的关系，则由所选定的位移模式确定。
为了有限单元法的解答在单元的尺寸逐步取小时能够收敛于精确解，反映单元刚体位移和常量应变是两个必要条件（亦称完备性条件），加上反映相邻单元的位移连续性，就是充分条件（亦称协调性条件），要求假定的位移模式能够满足上述三
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个条件，以反映结构的真实位移形态。同时满足完备、协调条件的单元称为协调元，其解答一定是收敛的。
在某些梁、板、壳体的分析中，要使单元满足协调性条件比较困难，于是出现了完备而非协调的单元。研究表明，满足一定条件的一些非协调元不仅收敛，而且收敛速度比协调元还快、精度更高。
当3结点三角形单元位移模式选取上述的一次多项式时，除应变矩阵[B]是常量矩阵外，插值函数(形函数)具有如下性质：
1) 在结点上插值函数的值有
（i，j，m) (2.12) N(x,y)iiiij
1,当ji0,当ji2) 在单元中任一点各插值函数之和应等于1，即
NiNjNm1 (2.13)
显然，插值函数能反映单元的刚体位移（否则，当单元结点位移为单元刚体位移时，单元会产生非零应变），因此满足完备性条件。
3) 由于插值函数是线性的，在单元内部及单元的边界上位移也是线性的，可由结点上的位移值确定。由于相邻单元公共结点的结点位移是相等的，因此保证了相邻单元在公共边界上位移的连续性。可见，选取一次多项式位移模式时满足协调性条件，即3结点三角形单元的有限元解答收敛。
选取双线性位移模式时，矩形单元内的应变分量不是常量，但位移模式中的α1、α2、α3、α5、α6、α7 与三角形单元相同，反映了刚体位移和常应变，而且在单元的边界上（ξ=±1或η=±1），位移按线性变化，可见两个相邻单元的位移在公共边界上是连续的，所以矩形单元是收敛的。
对于四结点平面等参元，由于相邻单元的交界线，可由线上的两个结点坐标唯一确定，因此交界线上的形函数是相同的，而且交界线上的位移只与该线上的结点位移有关，而与其它结点位移无关，因此，交界线上的位移可由该线上的结点位移唯一确定，即单元的协调性得到满足。
2.3 有限元分析法的应用优点
有限元法的优点是解题能力强，可以比较精确地模拟各种复杂的曲线或曲面边界，网格的划分比较随意，可以统一处理多种边界条件，离散方程的形式规范，便于编制
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通用的计算机程序，在固体力学方程的数值计算方面取得巨大的成功。但是在应用于流体流动和传热方程求解的过程中却遇到一些困难，其原因在于，按加权余量法推导出的有限元离散方程也只是对原微分方程的数学近似。当处理流动和传热问题的守恒性、强对流、不可压缩条件等方面的要求时，有限元离散方程中的各项还无法给出合理的物理解释。对计算中出现的一些误差也难以进行改进。
有限元法在工程中最主要的应用形式是结构的优化，如结构形状的最优化，结构强度的分析，振动的分析等等。有限元法在超过五十年的发展历史中，解决了大量的工程实际问题，创造了巨大的经济效益。有限元法的出现，使得传统的基于经验的结构设计趋于理性，设计出的产品越来越精细，尤为突出的一点是，产品设计过程的样机试制次数大为减少，产品的可靠性大为提高。压力容器的结构应力分析和形状优化，机床切削过程中的振动分析及减振，汽车试制过程中的碰撞模拟，发动机设计过程中的减振降噪分析，武器设计过程中爆轰过程的模拟、弹头形状的优化等等，都是目前有限元法在工程中典型的应用。
经过半个多世纪的发展和在工程实际中的应用，有限元法被证明是一种行之有效的工程问题的模拟仿真方法，解决了大量的工程实际问题，为工业技术的进步起到了巨大的推动作用。但是有限元法本身并不是一种万能的分析、计算方法，并不适用于所有的工程问题。对于工程中遇到的实际问题，有限元法的使用取决于如下条件：产品实验或制做样机成本太高，实验无法实现，而有限元计算能够有效地模拟出实验效果、达到实验目的，计算成本也远低于实验成本时，有限元法才成为一种有效的选择
2.4 国内外著名的有限元软件
有限元软件就是有限元法的计算机程序或程序系统，有通用和专用两种。前者通常是商业软件，优点是通用性强，格式规范，输入方法简单，用户无需特殊记忆也不需要太多专业知识和计算机技能，解决问题领域宽，因而流行范围广；缺点是程序通常很长，开发成本高。专用软件的优点是程序相对短，开发价格低，版本升级相对容易，解决专门问题更有效。
自20世纪70年代后期，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达到几百种，引入我国的各种大、中型专用和通用有限元著名软件有数十种，主要包括：
（1）ADINA——由美国麻省理工学院机械工程系开发的自动动力增量非线性分析有限元程序
（2）ALGOR——美国ALGOR公司在SAP5和ADINA有限元分析程序基础上针对微机平台开发的通用有限元分析系统。
（3）ANSYS——世界著名力学分析专家、匹兹堡大学教授J.swanson创建的SASI公司开发的大型通用有限元分析软件，世界最具权威的有限元产品。
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（4）IDEAS——美国SDRC公司开发的机械通用软件集成化设计工程分析系统。它是集成设计、分析、数控加工、塑料模具设计和测试数据分析为一体的工作站用软件。 （5）NASTRAN———美国国家航空和宇航局开发的结构分析程序。
（6）SAP——美国加州大学伯克利分校M.J.Wilson教授开发的线性静、动力结构分析程序。
这些程序的共同点在于：都至少包括杆、梁、板、壳和三维实体单元，热分析能力；分析静力合动力问题；分析线弹性和非线性问题；使用多种载荷：集中力、分布力、力偶、温度和支座沉陷；自动划分网格功能的前处理程序；用图形解释计算结果，如变形前后的模型、应力和温度分布的云图、制定位置的位移和应力等。
这些程序有的经过我国工程技术人员消化得到推广和应用，有的经过改进提高形成功能更全更强的通用程序。
20世纪90年代以来，随着我国CAD应用工程的兴起，科学和工程技术人员对有限元软件的注意力由引进、消化、推广和应用转向自主开发，也出现了一大批优秀的专用和通用软件，在各行各业创造出巨大的社会效益和经济效益。
2.5有限元软件未来发展前景
纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势： （1）与CAD软件的无缝集成
当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如
Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。
（2）更为强大的网格处理能力
（3）由求解线性问题发展到求解非线性问题
随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑
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性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。 （4）由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解
有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即\"热力耦合\"的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动„„这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓\"流固耦合\"的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。 （5）程序面向用户的开放性
随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。
关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道。
2.6 ABAQUS基础知识简介
ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力
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/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。
ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。它不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。
ABAQUS有两个主求解器模块—ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。
ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS于各国的工业和研究中被广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。
和其他通用程序相比，ABACUS软件在岩土工程数值计算中有不可比拟的优势。它有丰富的适用于岩土材料的本构摸型，如扩展的Druker-Prager模型(线性、非线性) ，Canoed Dmcker-Praeer，Cam-Clay模型、Mohr-Coulomb模型、混凝土材料模型、渗透性材料模型(提供了依赖于孔隙比率、饱和度和流速的各向同性和各向异性材料的渗透性模型)、节理模型。除了常规的各种单元类型外，还有模拟无限边界的无限元，针对钢筋混凝土结构的加强筋单元、针对地下埋管的土壤/管柱连接单元可进行开挖填筑分析，可自动生成自重应力场，可进行渗流/应力祸合分析，可进行饱和非饱和渗流分析。
2.7 ABAQUS各模块简介
ABAQUS有两个主要的分析模块: ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS/standard还有两个特殊用途的附加分析模块: ABAQUS/Aqua和
ABAQUS/Design。另外，还有ABAQUS分别与ABAQUS/Flex、C-MOLD和Mold flow的接口模块；ABAQUS/ADAMS、ABAQUS/C-MOLD和ABAQUS/MOLDFLOW。
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王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
ABAQUS/CAE是完全的ABAQUS工作环境，它包括ABAQUS模型的构造，交互式提交作业、监控作业过程以及评价结果的能力。ABAQUS/Viewer是ABAQUS/CAE的子集，它具有后处理功能，这些模块之间的关系如图2. 2所示。
图2. 2模块关系
ABAQUS/Standard：是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线性和非线性问题包括静力、动力、热和电问题的响应等。
ABAQUS/Explicit:是用于特殊目的分析摸块，它采用显式动力有限元列式。适用于像冲击和爆炸这类短暂、瞬时的动态事件，对加工成形过程中改变接触条件的这类高度非线性问题也非常有效。
ABACUS/CAE: ABACUS/CAE (Complete ABACUS Environment)是ABAQUS的交互式图形环境，用它可方便而快捷地构造模型，只需生成或输入要分析结构的几何形状，并把它分解为便于网格化的若干区域，并对几何体赋予物理和材料特性、载荷以及边界条件。ABACUS/CAE具有对几何体剖分网格的强大功能，并可检验所形成的分析模型。一旦模型生成，ABACUS/CAE可提交并监控要分析的作业，可视化模块就可用来显示结果。
ABAQUS/Viewer:是ABACUS/CAE的子集，它只包含可视化的后处理功能。 ABACUS/Aqua:其一系列功能可以附加在ABACUS/Standard中应用。它偏向于模拟海上结构，如海洋石油平台。它的功能包括模拟波浪、风载荷及浮力的影响。
ABACUS/ADAMS：允许ABACUS有限元模型作为柔性部件进入到MDIADAMS产品族中进行分析。这个界面是基于ADAMS/Flex的部件模态综合公式的。
ABACUS/C-MOLD：把注模分析软件C-MOLD中有限元网格、材料性质和初始应力数据转换成为ABACUS输入文件。
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ABAQUS/Design:其一系列功能可附加在ABACUS/Standard中进行设计敏度计算。ABAQUS/MOLDFLOW把MOLDFLOW分析软件中的有限元模型信息转换成ABACUS输入文件的一部分。
2.8 ABAQUS分析过程
一个完整的ABACUS分析过程，通常由三个明确的步骤组成:前处理、模拟计算和后处理。这三个步骤的联系及生成的相关文件如图2. 3所示。
图2. 3 ABAQUS分析过程
1.前处理(ABAQUS/CAE )
在前处理阶段需定义物理问题的模型生成一个ABACUS输入文件。通常的做法是使用ABACUS/CAE或其他前处理模块，在图形环境下生成模型。而一个简单问题也可直接用文件编辑器来生成ABACUS输入文件。
2.模拟计算(ABACUS/Standard )
模拟计算阶段用ABACUS/Standard求解模型所定义的数值问题，它在正常情况下是作为后台进程处理的。一个应力分析算例的输出包括位移和应力，它们存储在二进制文件中以便进行后处理完成一个求解过程所需的时间可以从几秒钟到几天不等，这取决于所分析问题的复杂程度和计算机的运算能力。
3．后处理(ABAQUS/CAE )
一旦完成了模拟计算得到位移、应力或其他基本变量，就可以对计算结果进行分析评估，即后处理。通常，后处理是使用ABAQUS/CAE或其他后处理软件中的可视化模块在图形环境下交互式进行，读入核心二进制输出数据库文件后，可视化模块有多种方法显示结果，包括彩色等值线图、变形形状图和x-y平面曲线图等。
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2.9 ABAQUS/CAE简介
ABAQUS/CAE是ABAQUS进行操作的完整环境，在这个环境中，可提供简明、一致的界面而来生成计算模型，可交互式地提交和监控ABAQUS作业，并可评估计算结果。ABAQUS/CAE分为若干个功能模块，每一个功能模块定义了建模过程中的一个逻辑方面，例如，定义几何形状、定义材料性质、生成网格等。通过功能模块到功能模块之间的切换，同时也就完成了建模。一旦建模完成，ABAQUS/CAE会生成一个输入文件，用户可把它提交给ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解器。求解器读入输入文件进行分析计算，同时发送信息给ABAQUS/CAE以便对作业的进程进行监控，并产生输出数据。最后，用户可使用可视化模块阅读输出数据，观察分析结果。用户与ABAQUS/CAE交互时，会产生一个命令执行文件，它用命令方式记录了操作的全过程。
下列的功能模块表在ABAQUS/CAE操作中常常见到这个表简明地描述了建立模型过程中要调用的每个功能模块。
(1) Part(部件)。用户在Part模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成部件的几何形状，也可以从其他的图形软件输入部件
(2) Property(特性)。截面(Section)的定义包括部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋予(Assign)部件。
(3) Assembly（装配件)。所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其他部件。用户可使用Assembly模块生成部件的副本(instance)，并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。
一个ABAQUS模型只包含一个装配件。
(4) Step（分析步骤)。用户用Step模块生成和配置分析步骤与相应的输出需求。分析步骤的序列提供了方便的途径来体现模型中的变化(如载荷和边界条件的变化)。在各个步骤之间，输出需求可以改变。
(5) Interaction(相互作用)。在Interaction模块里，用户可规定模型的各区域之间或模型的一个区域与环境之间的力学和热学的相互作用，如两个表面之间的接触关系其他的相互作用包括诸如绑定约束，方程约束和刚体约束等约束。若不在Interaction模块里规定接触关系，ABAQUS/CAE不会自动识别部件副本之间或一个装配件的各区域之间的力学接触关系。只规定两个表面之间相互作用的类型，对于描述装配件中两
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个表面的边界物理接近度是不够的。相互作用还与分析步相关联，这意味着用户必须规定相互作用所在的分析步。
(6) Load（载荷)。在Load模块里指定载荷、边界条件和场。载荷与边界条件与分析步相关，这意味着用户必须指定载荷和边界条件所在的分析步。有些场变量与分析步相关，而其他场变量仅仅作用于分析的开始。
(7) Mesh(网格)。Mesh模块包含有限元网格的各种层次的自动生成和控制工具，从而用户可生成符合分析需要的网格。
(8) Job(作业)。一旦完成了模型生成任务，用户便可用Job模块来实现分析计算。用户可用Job模块交互式地提交作业、进行分析并监控其分析过程，可同时提交多个模型进行分析并迸行监控。
(9) Visualization(可视化)。可视化模块提供了有限元模型的图形和分析结果的图形。它从输出数据中获得模型和结果信息.用户可通过Step模块修改输出需求，从而控制输出文件的存储信息。详情见ABAQUS/CAE用户手册的第V部分。
(10) Sketch(绘图)。在ABAQUS/CAE中，先绘出二维的轮廓线有助于生成部件的形状。用Sketch模块可直接生成平面部件，生成梁或一个子区域，也可以先生成二维轮廓线，然后用拉伸、扫掠、旋转的方式生成三维部件。
在功能模块之间切换时，主菜单中的内容会自动更换，各辅助菜单也随之改变。
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第3章 隧道开挖方法
3.1新奥法
1963年，由奥地利学者腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法(New Austria Tunnelling Method)”,简称“新奥法(NATM)”，正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。新奥法是20世纪40年代开始发展起来的，它是以喷混凝土和锚杆为主要支护手段的一种方法。这种方法把坑道的支护和衬砌与围岩看作是相互作用的一个整体，既发挥威严的自承能力，又使支护起到加固围岩作用。在确保坑道稳定的基础上，使设计更加合理、经济。目前这种方法还处于经验设计阶段，需要在实验过程中根据现场量测数据加以修正。新奥法与传统的矿山法相比，更能充分利用地层地质条件。随着理论上的日臻完善，将会在底下工程中得到更加广泛的应用。
新奥法的分类及施工工序
新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，墓本上又可分为以下几种:(1)全断面开挖法；(2)台阶法，其中包括①长台阶法②短台阶法③超短台阶法；(3)分部开挖法，其中包括:①台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法):②中隔壁法(单侧壁导坑法、CD法)；③双侧壁导坑法(眼镜法)等。新奥法的施工工序可用图3. 1所示的框图表示。
图3. 1新奥法施工工序
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开挖方法：按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法。
1.全断面开挖法
如图3. 2所示，施工顺序是：（1）施工准备完成后，用钻孔台车钻眼，然后装药，连接起爆网路；（2）退出钻孔台车，引爆炸药开挖出整个隧道断面；（3）进行通风、撒水，排烟、降尘；（4）排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层棍凝土；（5）用装碴机将石碴装入矿车或运输机，运出洞外；（6）安设边墙锚杆和喷混凝土；（7）必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；（8）开始下一轮循环；（9）在初次支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。
图3. 2全断面开挖法
根据围岩稳定程度及施工设计可以不设锚杆或设短锚杆。也可先出碴，然后再施作初次支护，但一般仍先进行拱部初次支护，以防止局部应力集中而造成的围岩松动剥落。
适用条件：全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中，必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短，否则采用大型机械化施工的经济性差。根据经验，这个长度不应小于1km。
2.台阶开挖法
台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分是根据台阶长度来决定，如错误！未找到引用源。所示。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定:①初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短：②上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。
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图3. 3台阶法
在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好地发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下:
(1)长台阶法：上、下断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。长台阶法的作业顺序为：1用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖；2安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支喷射混凝土；3用推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外；4根据支护结构形成闭合断面的时间要求，必要时在开挖上半断面后，可建筑临时底拱，形成上半断面的临时闭合结构，然后在开挖下半断面时再将临时底拱挖掉.但从经济观点来看，最好不这样做，而改用短台阶法。
下半断面开挖:1用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。装碴直接运至洞外；2安设边墙锚杆（必要时)和喷混凝土；3用反铲挖掘机开挖水沟，喷底部混凝土。
优缺点及适用条件:有足够的工作空间和相当的施工速度.上部开挖支护后.下部作业就较为安全，但上下部作业有一定的干扰。相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，而且，对维持开挖面
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的稳定也十分有利所以，它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不要用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。
(2)短台阶法:台阶长度小于5倍但大于1-1.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。 短台阶法的作业顺序和长台阶相同。
优缺点及适用条件:由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广。I -V级围岩都能采用，尤其适用于IV, V级围岩，是新奥法施工中经常采用的方法。缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。为解决这种干扰可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道。将上台阶的石碴直接装车运出。过波坡道的位置可设在中间，也可交替地设在两侧。过渡坡道法通用于断面较大的双线隧道中。
(3)超短台阶法:台阶仅超前3-5m，只能采用交替作业。
优缺点及适用条件:由于超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短.更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效地控制地表沉陷。所以，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。
缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率较低，施工速度较慢。在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对开挖面进行预加固或预支护。
3.分部开挖法
分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法可分为三种变化方案:台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见错误！未找到引用源。。
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图3. 4分部开挖法
(l)台阶分部开挖法。又称环形开挖留核心土法。
开挖面分部形式：一般将断面分成为环形拱部(见错误！未找到引用源。(a)中的1, 2, 3)、上部核心土4、下部台阶5等三部分。
施工作业顺序为：1用人工或单臂述机开挖环形拱部。或根据断面的大小，环形拱部又可分成几块，交替开挖；2安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑、喷棍凝土；3在拱部初次支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底；4根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。
由于拱形开挖高度较小，或地层松软锚杆不易成型，所以施工中不设或少设锚杆。环形开挖进尺为0.5-1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般双线隧道为l倍洞跨，单线隧道为2倍洞跨。
优缺点及适用条件:在台阶分部开挖法中，因为上部留有核心土支挡着开挖面，而且能迅速及时抽津浩拱部初次支护，所以开挖工作面稳定性好。和台阶法一样，核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的，施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰:而与下述的单侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快。
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虽然核心土增强了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。因此，它常要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。
(2)单侧壁导坑法。
开挖面分部形式:一般将断面分成三块:侧壁导坑1、上台阶2、下台阶3，见错误！未找到引用源。(b)。
侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设各和施工条件而定。一般侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，这样，导坑可分二次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便。导坑与台阶的距离没有硬性规定，但一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则，所以在短隧道中可先挖通导坑，而后再开挖台阶。上、下台阶的距离则视围岩情况参照短台阶法或超短合阶法拟定施工作业顺序为: 1开挖侧壁导坑，并进行初次支护(锚杆加钢筋网或锚杆加钢支撑或钢支撑，喷射混凝土)，应尽快使导坑的初次支护闭合；2开挖上台阶，进行拱部初次支护，使其一侧支承在导坑的初次支护上，另一侧支撑在下台阶上；3开挖下台阶，进行另一例边墙的初次支护，并尽快建造底部初次支护，使全断面闭合；4拆除导坑临空部分的初次支护；5建造内层衬砌。
优缺点及适用条件:单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初次支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难以控制的软弱松散围岩中。
(3)双侧壁导坑法，又称眼镜工法。
开挖面分部形式:一般将断面分成四块-左、右侧壁导坑l、上部核心土2、下台阶3，见错误！未找到引用源。 (c)。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧己成导坑的原则确定。
施工作业顺序为: 1开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合；2相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护；3开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次皮护上；4开挖下台阶，建造底部的初次支护使初次支护全断面闭合；5拆除导坑临空部分的初次支护；6建造内层衬砌。
优缺点及适用条件:当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大。
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初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。
(4)中隔壁法是在软弱围岩大跨隧道中常用 的一种方法。这种方法是将断面分成左、右两部分。每一部分又分为上、下几个台阶（错误！未找到引用源。 (d)）。
其施工顺序为：1.先后开挖一侧台阶①和台阶②，同时施作初期支护和中隔壁墙；2.相隔适当距离后开挖另一侧台阶③和台阶④，并同时施作初期支护和中隔壁墙；3.然后开挖台阶⑤和台阶⑥，施作初期支护和中隔壁墙；4.建造内层衬砌。
此工法又称为CD法。若每一步施工修建临时仰拱，使步步封闭成环，每一步施工阶段都是一个封闭的承载体系，可有效地控制地表沉陷，这种方法就称为CRD法。
新奥法是一系列指导隧道设计和施工的原则。归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是: (1)围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩；(2)为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形；
(3)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的；(4)在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计。这是“新奥法”的重要组成部分；(5)在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力弧的支护手段；(6)要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程；(7)在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的；(8)在隧道施工过程中，必须建立设计--施工检验--地质预测星测反馈--修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术。
上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为:少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭。在实际施工过程中，这些原则不是一成不变的，应该结合实际情况迸行完善和提高。
在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑(中隔壁法)和双侧壁导坑(眼镜法)采用得较多。由于施工机械的开发和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。也就是说，施工方法有向全地质型方法转变的趋势。因此，目前选择施工方法，并不完全决定于地质条件。地质条件仅仅是选择施工方法的一个因素，而更应调的是:施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。其中环境因素有时成为选择施工方法的决定性因素。
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3.2其他隧道开挖方法
一个多世纪以来,世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各种围岩的多种隧道施工方法.习惯上将它们分成为：矿山法、明挖法、盾构法、掘进法、沉管法等。
矿山法因最早应用于矿山开采而得名，它包括传统矿山法和新奥法。由于在这种方法中，多种情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。
明挖法是从地面向下分层、分段依次开挖，直到达到结构要求的尺寸和高程，形成基坑，然后在基坑中进行主题结构施工和防水作业，最后回填恢复地面。明洞以及隧道洞口段不能用暗挖法时，都采用明挖法施工。在城市地下工程特别是浅埋的地下铁道工程中获得了广泛的应用。明挖法常用的施工方法有放坡开挖法、支护开挖法、盖挖法、盖挖逆作法。
隧道掘进机法（简称TBM）是一种机械化的隧道掘进设备，是一种修建岩质隧道的工厂化的施工技术。掘进机施工有着钻爆法施工不可比拟的优点。随着科技发展步伐的加快，随着掘进机技术本身的不断发展完善，今后会有很多数量的隧道采用掘进机法施工。隧道掘进机与盾构有异曲同工之处。在机械施工中，很长一段时期，把在土质隧道中采用的机械称为盾构，而把在岩质隧道施工中的机械称为掘进机，或者岩石掘进机。由于机械制造技术的快速发展，这种区分越来越不明显，因此目前多把盾构和隧道掘进机一并称为盾构掘进机。隧道掘进机是一种专用的开挖设备。它利用机械破碎岩石，完成开挖、出渣及混凝土（钢）管片安装的联合作业，连续不断得进行掘进。用此法修筑隧道的方法，称为TBM法。采用掘进机开挖隧道，具有一次成洞，洞壁光滑，施工质量好，速度快，劳动条件好，对围岩的损伤小[15]，几乎不产生松弛，掉块、崩塌的危险小，支护的工作量小；超挖小、衬砌也省；震动、噪声小；对周围的居民和结构物的影响小等一系列优越性。
盾构法是采用盾构在地下修筑隧道及地下工程的一种方法。它既可能是机械开挖，也可能是人工开挖。它既是一种施工工具，又是一个强有力的临时支撑结构。在盾壳的保护下，即可进行开挖，又可进行衬砌。盾构施工法是软土隧道掘进施工的一种有效方法。随着盾构设备的发展，盾构法在城市地铁、电力通信、市政公用设施等各种隧道建设中得到了广泛的应用。此外，在穿越水域、山岭的公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也因它在特定条件下的经济合理性而得到了大量使用。采用盾构施工，具有不影响地面交通、没有振动、对地面邻近建筑物危害较小；施工费用不受埋深的
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很大影响；适用地面范围广，从软土、砂卵土、软岩直到岩层均可适用；盾构掘进、出土、拼装管片衬砌等主要工序都靠机械完成，施工人员较少，施工易于管理；在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术优越性，相关有限元分析方法[16]成熟等优点。
沉管法是在干坞中或船台上预制隧道管段，它可以是钢壳混凝土的，也可以是钢筋混凝土的，管段的长度一般为60～100m。然后两端用临时封墙密闭，浮放在水中，用拖轮拖运到设计的隧道位置上，在此以前，已经在预定的隧址处用水下施工挖好沟槽，整好地基。接着往管段里灌水，使之下沉至预定的高程，并将沉放就位的各节管段在水下连接起来，再在隧道上覆土回填。最后抽出隧道内的水，拆除管段的密封墙，完成内部装修。沉管法修建隧道的优点为：覆盖层不需要很大，只要防止船只下锚时不会损坏隧道即可。因此，两端引道较短，能适用于各种地层条件；由于隧道结构是预制的，质量较高，水密性高；因有浮力作用在隧道上，所以视重小；要求的地层承载力不大，故也适用于软弱地层；断面形状无特殊限制，可按用途自有选择，特别适应较宽的断面形式；因采用预制方式施工，效率高，工期短。
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第4章 帕隆2#隧道开挖的数值模拟分析
选择隧道施工开挖方法主要应考虑围岩的地质状况和开挖面的大小、工期、技术条件、机械装备状况等因素，好的施工工法，不仅节省工程成本，而且符合隧道开挖的地质条件和受力特点。当围岩稳定性较好，开挖断面较小时，可以全断面开挖一次成型。这样可以减少工序和干扰，方便测量，大空间组织机械化作业，及时衬砌并保持其整体性，提高进度和质量。相反，当围岩稳定性较差，开挖面较大时，为了防止坍塌并保证施工人员安全，就必须实行部分断面开挖：两步或者多步开挖，围岩越差，分步就越多，施工也就越繁琐，锚喷支护的施工缝也越多，造成初期支护的整体性不好。为分析方便，以目前备受关注的小间距隧道施工开挖为例，研究隧道施工工法的优化方案。
根据帕隆2#隧道的地质背景，确定帕隆2#隧道所处围岩属于V级围岩，地质条件复杂，而全断面法、台阶法仅适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩，只有分部开挖法可用于易坍塌的软弱松散围岩环境。针对此种特殊情况，本次研究采用分部开挖法中的单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法、台阶分部开挖法，结合帕隆2#隧道实际情况，利用ABAQUS软件对对这四种开挖方案建立模型进行分析。
下面分别就这四种方案进行数值模拟。
4.1模型简介
1.开挖方案
图 4. 1是四种开挖方案示意图。
图 4. 1开挖方案示意图
单侧壁开挖法：先进行左线开挖，再进行右线开挖，各线分三步开挖如错误！未找到引用源。（a）所示；双侧壁开挖法：先进行左线开挖，再进行右线开挖，各线分
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三步开挖如错误！未找到引用源。（b）所示;中隔壁法：先进行左线开挖，再进行右线开挖，各线分四步开挖如错误！未找到引用源。（c）所示；台阶分部开挖法：先进行左线开挖，再进行右线开挖，各线分四步开挖如图 4. 1（d）所示。图中A、B、C、D、E、F分别表示各洞分析关键点。
2.质量密度、杨氏模量、泊松比的确定问题
隧址属高中山构造剥蚀地貌，发育规模较大的崩塌、滑坡、坡面泥石流等地质灾害。围岩主体由二云石英片岩组成，岩体较破碎影响隧道围岩稳定性，断层破碎带渗 水性好，地表水易渗入，开挖时易引发崩塌、涌水、渗水等。隧道属高应力区。沿线主要出露地层为第四系冲洪积、滑坡堆积、崩坡积、残坡积及泥石流堆积的碎石土。再根据《公路隧道设计规范》（JTG D70—20004）（P16）（见表4. 1）确定本隧道围岩为V级围岩。
表4. 1公路围岩分级
围岩围岩或土体主要定性特征 级别 Ⅰ Ⅱ 较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构 坚硬岩，岩体较破碎，巨块(石)碎(石)状镶嵌结构； Ⅲ 较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构 坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构； 较坚硬岩，岩体较破碎-破碎，镶嵌碎裂结构；较软岩或较硬Ⅳ 岩互层，并以软岩为主，岩体较完整-较破碎，中薄层状结构 土体：1压密或成岩作用的粘性土及砂性土；2黄土(Q3、Q2)；3一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土 较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎—破碎 极破碎各类岩体、碎、裂状、松散结构 Ⅴ 一般第四系的半干硬至硬型的粘性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石土、圆砾土及黄土(Q3、Q4)，零粘性土呈松散结构、粘性土及黄土呈松软结构 Ⅵ 软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等 <250 350～251 450～351 坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构 坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构； 550～451 饱和粉细砂层、软土等 >550 软塑状粘性土及潮湿、 36
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表4. 2为《公路隧道设计规范》（JTG D70—20004）（P74）关于各级围岩物理力学指标标准值的参数：
表4. 2各级围岩物理力学指标标准值
（1）质量密度
由于隧道全段埋置于山体深处，最大埋深约551m，基岩大部分为密度偏大的二云石英片岩，结合以上规范，取本隧道模型重度γ=20kN/m3。
g 20 1000 9.8 kg / m 2040.82 kg / m （2）杨氏模量E
根据《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）（P11）如表4. 3提供的岩体物理力学参数，以及结合随围岩深度越大，压强越大，岩石的杨氏模量有一定提高的背景知识，取本隧道ABAQUS模型杨氏模量E=1.3GPa。
33岩体基本重力密度3抗剪断峰值强度 变形模量质量级别 （kN/m） 内摩擦角ψ（°） 粘聚力C（MPa） B（GPa） 泊松比ν 表4. 3岩体物理力学参数
37
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
（3）泊松比ν
因
I II III IV V >26.5 26.5～24.5 24.5～22.5 <22.5 >60 60～50 50～39 39～27 <27 >2.1 21.～1.5 1.5～0.7 0.7～0.2 <0.2 >33 33～20 20～6 6～1.3 <1.3 <0.2 0.2～0.25 0.25～0.3 0.3～0.35 >0.35 为深度越深，压强越大，所以岩石泊松比随深度增加而增加。结合规范取本隧道泊松比ν=0.45。
3.最小净距问题
在《公路隧道设计规范》（JTG D70—20004）（P199）中对最小净距确定的规定如下：采用I、II、III级围岩比例进行控制。当I、II、III级围岩占小净距隧道总长的80%以上时，双洞最小净距不宜小于0.3B；当I、II、III级围岩占小净距隧道总长的50%～80%时，双洞最小净距不宜小于0.5B；当I、II、III级围岩占小净距隧道总长的50%以下时，双洞最小净距不宜小于0.75B。这一指标主要是从施工中围岩的稳定和工程造价增加不宜太多等方面综合考虑的。结合帕隆2#隧道内轮廓宽度9.80m，所处围岩几乎完全是V级围岩的实际情况，所以采用净距为10.0m的净距模型。
4.模型尺寸
帕隆2#隧道内轮廓及建筑界限等数据见图1. 1、图1. 2。隧道直径约10m，周围岩石的本构关系简化为线弹性（E=1.3GPa，ν=0.45，γ=20kN/m3），g取9.8kg/m2，故得出
≈2040.82kg/m3。隧道间距取10.0m。模型示意图如下：
38
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图 4. 2模型尺寸示意图
4.2开挖模拟
4.2.1方案1单侧壁导坑法开挖模拟
首先使用CAD按照图1. 1的规格做出隧道轮廓图（见），并保存为dxf文件，便于之后导入到ABAQUS中。
图4. 3隧道轮廓图
开挖方式如图 4. 2（a）所示。
第1步：创建部件。在部件模块中，创建部件，将模型空间设为二维平面，类型设为可变形, 基本特征设为壳，如图4. 4：
图4. 4创建部件
进入图形编辑界面，作边长100m的正方形面，并导入之前保存的dxf文件，选择拆分面，添加从dxf文件导入的草图，调整好位置后重复操作一次，结果如图4. 5。
39
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
图4. 5 dxf导入
继续拆分截面为下图形式：
图4. 6界面拆分
第2步：设置材料及截面特性。在属性模块中创建质量密度 =2040.82kg/m3，杨氏模量E=1.3GPa，泊松比ν=0.45的线弹性材料，并创建截面属性和给部件赋予截面特性，操作过程如图4. 7所示。
40
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（a） (b)
(c) (d)
图4. 7材料与界面属性设置
第3步：装配。将部件实例化，建立相应的实例，操作如下。
图4. 8装配
Step 4：定义分析步。在分析步模块中，建立名字为step-1到step-7的分析步, 分析步类型均为通用，并编辑静力，通用的分析步。操作结果如图4. 9所示。
图4. 9分析步
41
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
第5步：设定相互作用：Int-1,Int-2的设置方式分别如 图 4. 10、图 4. 11。
从Int-2开始开挖到Int-7，分6步完成。后续操作跟Int-2相同。
（a） (b)
图 4. 10Int-1
（a） (b)
图 4. 11Int-2
结果如图：
图4. 12相互作用
42
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第6步：划分网格。选择网格中控制属性，对各个面逐一指定网格控制属性（见图4. 14），结果如图4. 13。
图4. 14网格控制 图4. 15网格属性
布种分为两部分，第一部分为模型外轮廓及斜对角线，按尺寸布种，近似单元尺寸为3m，如图4. 1；其余也按尺寸布种，近似单元尺寸为0.5m。布种效果如图4. 2。
图4. 1布种方式 图4. 2布种效果
指派单元类型时，将整个区域指派为平面应变问题。方式如图4. 3。
图4. 3指派单元类型
43
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
整体与局部网格划分效果如下：
（a） (b)
图4. 4网格划分效果
查询得到该网格总共18802个结点，6203个单元。
第7步：创建荷载条件。在荷载模块，执行创建载荷命令，对岩石所有区域施加体力
体力-20000N/m3，以此来模拟重力载荷。操作结果如
图4. 5所示。
图4. 5荷载效果图
44
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执行创建边界条件命令，限定模型两侧的水平位移和模型底部两个方向的位移，如
图4. 6所示。
图4. 6荷载位移图
第8步：创建作业并提交。
（a） (b)
(c)
45
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
图4. 7创建作业
计算结果:
首先在视口注释选项中设定文本字体如下图：
（a） (b)
图4. 8文本字体设定
通用绘图选项中设置变形缩放系数为250，如下图：
图4. 9变形缩放系数
46
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各开挖步的Mises应力结果如下图4. 24。
(a)未开挖 (b)第1步
（c）第2步 (d) 第3步
（e）第4步 (f) 第5步
(g) 第6步
47
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
图4. 10 方案1各步Mises应力图
各开挖步的竖直方向位移结果如下图4. 25。
(a) 未开挖 (b) 第1步
(c) 第2步 (d) 第3步
(e) 第4步 (f) 第5步
48
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(g) 第6步
图4. 11方案1各步竖直方向位移
各开挖步的水平方向位移结果如下图5. 26。
(a) 未开挖 (b) 第1步
(c) 第2步 (d) 第3步
49
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
(e) 第4步 (f) 第5步
(g) 第6步
图5. 26方案1各步竖直方向位移
方案1数据处理如下：
图4. 13方案1关键点Mises变化图
50
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图4. 14方案1应力危险点
图4. 30方案1关键点水平方向位移
图4. 29方案1关键点竖直方向位移
51
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
方案1数值模拟结果表明：本开挖方案为单侧壁导坑法。首先考虑应力问题，从图4. 13可看出关键点最大应力出现在点C和F处，分别为2.31MPa和2.24MPa。应力危险点即最大应力点在结点8518处，其值为4.34MPa，开挖时对应位置需要做好支护衬砌。位移分为竖直和水平方向，关键点中，竖直方向位移最大值出现在点A和D处，为2.31cm；相对而言，水平方向的位移较小，最大也不超过0.5cm。据此，后续方案不考虑水平位移，位移危险点仅考虑竖直方向，即A、D点。
4.2.2方案2双侧壁导坑法开挖模拟 开挖方式见图4.1（b）。
由于方案2与方案1的ABAQUS建模过程相同，所以以下描述从简。 第1步：创建部件。结果如下：
图4. 15 创建部件
第2步到第6步与方案1完全相同，不再赘述。第5步中从Int-2开始，按照错误！未找到引用源。开挖顺序设定，第6步网格划分整体与开挖附近结果如下：
(a) (b)
52
2014届工程力学专业毕业设计（论文） 错误！未找到引用源。网格划分效果
查询得到该网格总共18591个结点，6136个单元。
第7步：定义荷载、边界条件。结果如下：
第8步：创建作业并提交。 计算结果：
同样，首先要更改视口注释文本字体，变形缩放系数。 各开挖步的Mises应力结果如下图4. 34。
(a)未开挖 (b) 第1步
53
图4. 16荷载效果图
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(c) 第2步 (d) 第3步
(e) 第4步 (f) 第5步
(g) 第6步
图4. 17方案2各步Mises应力图
各开挖步重力方向的位移结果如下错误！未找到引用源。。
(a) 未开挖 (b) 第1步
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(c) 第2步 (d) 第3步
(e) 第4步 (f) 第5步
(g) 第6步
错误！未找到引用源。方案2各步竖直方向位移
方案2数据处理如下 ：
55
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析 图4. 186方案2关键点Mises变化图
图4. 208方案2关键点竖直方向位移
图4. 19方案2应力危险点
方案2数值模拟结果表明：本开挖方案为双侧壁导坑法。首先考虑应力问题，从可看出关键点最大应力出现在点C和E处，均为2.04MPa。应力危险点即最大应力点在结点7988处，其值为3.29MPa，开挖时对应位置需要做好支护衬砌。位移关键点中，竖直方向位移最大值出现在点D和E处，为2.32cm；位移危险点即为D、E点。
4.2.3方案3中隔法开挖模拟
开挖顺序如错误！未找到引用源。（c）。 第1步：创建部件。结果如下：
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图4. 39界面拆分
同样，第2步到第6步与方案1完全相同，不再赘述。第4步按同样方式创建9个分析步，第5步中从Int-2开始直到Int-9，按照错误！未找到引用源。（c）开挖顺序设定，第6步网格划分整体与开挖附近结果如下：
（a） (b)
图4.40网格划分效果
查询得到该网格总共16783个结点，5534个单元。 第7步：定义荷载、边界条件。结果如下：
图4. 41荷载位移图
第8步：创建作业并提交。 计算结果：
同样，首先要更改视口注释文本字体，变形缩放系数。
57
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
各开挖步的Mises应力结果如下图4. 。
(a)未开挖 (b)第1步
（c）第2步 (d) 第3步
（e）第4步 (f) 第5步
(g) 第6步 (h) 第7步
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(i) 第8步
图4. 42方案3各步Mises应力图
各开挖步竖直方向的位移结果如下图4. 。
(a)未开挖 (b)第1步
（c）第2步 (d) 第3步
59
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
（e）第4步 (f) 第5步
(g) 第6步 (h) 第7步
(i) 第8步
图4. 43方案3各步竖直方向位移
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方案3数据处理如下:
图4. 44方案3关键点Mises变化图
图4. 21方案3应力危险点
图4. 226方案3关键点竖直方向位移
61
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方案3数值模拟结果表明：本开挖方案为中隔壁开挖法。首先考虑应力问题，从可看出在不同开挖步中，关键点B、C、E、F都出现了较大应力。这些应力中E处最小，为2.79MPa；F处最大，为3.38MPa。应力危险点即最大应力点在结点8360处，其值为3.59MPa。所以除了A、D处外，其余关键点和危险点都应做好支护衬砌，保证安全施工。位移关键点中，竖直方向位移最大值出现在点D和E处，为2.31cm；相对而言，其他关键点位移不大，所以位移危险点即为D、E点。
4.2.4方案4台阶分部开挖法开挖模拟 开挖顺序如错误！未找到引用源。(d)。 第1步：创建部件。结果如下：
图4. 23创建部件
同样，第2步到第6步与方案1完全相同，不再赘述。第4步按同样方式创建9个分析步，第5步中从Int-2开始直到Int-9，按照图4. 24开挖顺序设定，第6步网格划分整体与开挖附近结果如下：
（a） (b)
图4. 248网格划分效果
查询得到该网格总共17237个结点，5682个单元。
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第7步：定义荷载、边界条件。结果如下：
图4. 49荷载位移图
第8步：创建作业并提交。 计算结果：
同样，首先要更改视口注释文本字体，变形缩放系数。 各开挖步的Mises应力结果如下错误！未找到引用源。。
(a)未开挖 (b)第1步
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王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
（c）第2步 (d) 第3步
（e）第4步 (f) 第5步
(g) 第6步 (h) 第7步
(i) 第8步
图4. 50方案4各步Mises应力图
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各开挖步竖直方向的位移结果如下图4. 。
(a)未开挖 (b)第1步
（c）第2步 (d) 第3步
（e）第4步 (f) 第5步
65
王洪：帕隆2#隧道开挖过程的力学分析
(g) 第6步 (h) 第7步
(i) 第8步
图4. 51方案4各步竖直方向位移
方案4数据处理如下:
图4. 52方案4关键点Mises变化图
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图4. 53方案4应力危险点
图4.54方案4关键点竖直方向位移
方案4数值模拟结果表明：本开挖方案为台阶分部开挖法。首先考虑应力问题，从可看出在不同开挖步中，关键点B、C、E、F都出现了较大应力，其最大值相近，在1.92MPa和2.04MPa之间。需要注意的是， 573、265两个结点均为应力危险点，最大应力接近5.4MPa。所以除了A、D处外，其余关键点和危险点都应做好支护衬砌，保证安全施工。位移关键点中，竖直方向位移最大值出现在点A和D处，为2.32cm；相对而言，其他关键点位移不大，所以位移危险点即为A、D点。
4.3不同方案结果对比分析
本课题选取了四种开挖方案，依次为单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法、台阶分部开挖法。
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1、从结点考虑：
（1）关键点应力最大值：方案1为2.3MPa(C、F)，方案2为2.04MPa (C、E)，方案3为3.38MPa(B、C、E、F)，方案4为2.04MPa(B、C、E、F)。
（2）应力危险点最大值：方案1为4.34MPa，方案2为3.29MPa，方案3为3.59MPa， 方案4为5.4MPa。
（3）竖直方向位移最大值：方案1为2.31cm （A、D），方案2为2.32cm（D、E），方案3为2.31cm（D、E），方案4为2.32cm（A、D）。
方案1、2、4关键点最大应力值相对方案3较小，应力危险点中方案2、3应力较小，而四种方案最大位移量几乎无差别，均为2.3cm。所以方案2为最佳开挖方案。
2、从单元考虑：
各方案单元Mises应力最大值：
表5. 1 四种开挖方案的Mises应力对比表 (单位：Pa)
方案开挖步 第1步 第2步 第3步 第4步 第5步 第6步 第7步 第8步 第9步 用折线图显示如下：
方案1 方案2 方案3 方案4 3.636e+5 3.636e+5 3.636e+5 3.636e+5 4.343e+6 3.566e+6 4.063e+6 6.890e+6 5.190e+6 3.286e+6 2.874e+6 6.720e+6 3.094e+6 3.118e+6 3.449e+6 3.061e+6 3.935e+6 3.624e+6 3.089e+6 3.057e+6 3.187e+6 3.275e+6 3.589e+6 6.846e+6 3.175e+6 3.197e+6 3.431e+6 6.745e+6 3.383e+6 3.156e+6 3.150e+6 3.154e+6
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图4. 25 Mises应力对比图
从以上图表可以看出，方案2的Mises应力变化不大，且最大时为3.624MPa；方案3的Mises应力变化较大，最大时为4.063Mpa。相比之下，方案1、4的最大Mises应力则太大，分别为4.063MPa和6.890MPa。所以方案2最佳。
综上：方案2双侧壁导坑法出现较大应力的范围较小，每一开挖步的最大应力变化幅度不大，最大值也不过3.6MPa，降低了施工难度，减少了不必要的支护衬砌；且方案2仅六步开挖即可完成，开挖时间短，节省工期，节约成本，从而保证施工进度。所以此方案为最适用于帕隆2#的隧道开挖方案。
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第5章 结论与展望
5.1结论
本文以帕隆2#隧道开挖方案优化为研究对象，采用单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、台阶分部开挖法、中隔壁法四种隧道开挖方案，利用ABAQUS软件进行数值模拟，分析探究帕隆2#隧道在不同开挖方法下，围岩应力、位移特点及其变化规律，得到以下研究成果：
1、在使用ABAQUS软件模拟隧道开挖时，由于岩性均匀分布等原因，对于位移问题，水平位移相对竖向位移较小，所以可以仅考虑竖直方向位移。
2、结合各方案关键点Mises应力在每开挖步的变化，可以看出在小间距隧道开挖过程中，后开挖洞对前开挖洞应力分布有影响。当后开挖洞进行施工时，前开挖洞顶部应力会降低大约0.2MPa，两侧应力会增加大约0.2MPa。所以在后开挖洞施工过程中，同时也要注意前开挖洞的稳定情况。
3、相比本课题中另外两种开挖方法，方案1单侧壁导坑法开挖和方案2双侧壁导坑法开挖在施工过程中较大应力出现的范围小，但方案1应力集中突出。
4、虽然四种开挖方案施工方式各异，但所引起的围岩变形差异不大。所以在方案优劣比较中可不考虑围岩变形。
5、对于帕隆2#和类似情形的隧道，双侧壁导坑法对于隧道开挖有较大的优势。因为不管从应力分布情况、还是施工环节考虑，这种开挖方式都大大优于其他方式。
5.2展望
当然，由于个人学识的不足以及时间的限制,虽然本课题是“帕隆2#隧道开挖的力学分析”，但研究分析的范围小，还是存在许多不足和缺漏之处。比如本文中忽略支护衬砌，只考虑二维即平面下开挖围岩的情况，并且将岩石性质简化为弹性材料简单模型来处理，最后的结果不可避免的存在近似性。所以，下一步工作则是在以上工作的基础上，同时考虑围岩衬砌支护情况、围岩塑性，使用ABAQUS进行三维立体模拟，从而得到较为精确的结果。
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致 谢
首先，由衷地感谢我的导师郑佳艳老师，在本次毕业设计过程中，从论文的选题、设计至最终定稿，都倾注了大量劳动和心血。老师经常召集本组同学集中指导，使我在学习过程中遇到的问题可以得到及时解决，遇到错误能及时为我指出，并督促着我的进度，使我能够顺利并及时地完成任务。完成毕业设计的同时，我也学到了许多新知识，为以后的工作打下良好的基础。
在本论文完成之际，向郑老师表示最衷心的感谢，在此同时也得到了土木教研室各位老师的热心帮助，在此致以真挚的感谢。感谢在四年大学生活中关心我的所有老师、同学，以及所有帮助和支持我的家人朋友们!
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参考文献
[1]陈卫忠,伍国军,贾善坡. ABAQUS在隧道及地下工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社,2010，55.
[2]张桂生,冯文件,刘新荣,舒志乐. V级围岩下小间距隧道合理间距的探讨[J]. 地下空间与工程学报,2009,5（3），582-586.
[3]王兴中,杨新安,黄小平,周青. 超小间距隧道施工中的偏压研究[J]. 地下空间与工程学报,2008,4（3），528-538.
[4]赵永国,张稚光,韩常领. 既有公路下超浅埋、偏压小间距隧道的设计与施工技术[J]. 中外公路,2009,29（4），,359-364.
[5]王怡,王芝银,李云鹏. 偏压作用下小间距隧道的施工方法研究[J]. 现代隧道技术,2008,3，29-35.
[6]唐伟才,吉小明. 小间距大跨隧道冲沟浅埋偏压段施工技术[J]. 广东建材, 2012,5, 87-89.
[7]刁天祥,杨惠光. 浅埋小间距隧道开挖围岩变形及控制对策[J. 隧道建设,2006,26（3），21-31.
[8]王明年,李志业,刘智成,张成满. 软弱围岩3孔小间距平行浅埋隧道施工力学研究[J]. 铁道建筑技术,2002,4,11-14.
[9]肖明清. 小间距浅埋隧道围岩压力的探讨[J]. 现代隧道技术,2004,41(3),7-10. [10]薛生东. 小间距隧道施工技术浅析[J]. 城市建设理论研究,2012,6,1-4. [11]黄继军. 大跨度小间距隧道设计与施工技术探讨[J]. 公路交通科技(应用技术版),2011,2,131-134.
[12]蔚立元,李术才,徐帮树. 青岛小间距海底隧道施工优化的有限差分分析[J]. 岩石力学与工程学报 ，2009，28(增2)，3564-3570.
[13]陶新伟,夏于平. 小间距隧道低预应力锚杆施工技术[J]. 城市建设理论研究,2011,26,1-3.
[14] 霍明,赵永国,韩长领.小间距隧道的工程特点与关键技术创新[J].公路，2009.5,5,259-263.
[15] Peng Yan，Wenbo Lu，Ming Chen，Zhigang Shan，Xiangrong Chen，Yong Zhou．Energy release process of surrounding rocks of deep tunnels with two excavation methods．Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2012．4 (2): 160–167
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2014届工程力学专业毕业设计（论文）
[16] ZHANG Zi-xin，SHEN Mang-jie，TENG Li．Back-Analysis of the Response of Shield Tunneling by 3D Finite Element Method．An Overview．J．Shanghai Jiaotong Univ．(Sci.) 2013．18(3): 298-305
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