模拟隧道开挖的优化方法

1.本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种模拟隧道开挖的优化方法。


背景技术：

2.abaqus是国际上先进的大型通用非线性有限元分析软件，具有强大的非线性计算能力，计算分析结果可靠。该软件在岩土工程中适用性较好，所以经常用于模拟隧道、基坑开挖等施工过程。
3.abaqus模拟隧道开挖通常分三个步骤：软化模量、施作衬砌和开挖土体。在隧道开挖过程中，对于软弱围岩通常采用分部开挖工法(例如，上下台阶法、环形开挖留核心土法和上下中隔离法等)，即将掌子面分成若干部分，按顺序分部进行开挖，以减少对周围岩土体的扰动。上述分部开挖工法应用到abaqus中进行模拟时，就需要将掌子面分成若干部分，并对每一部分执行软化模量、施作衬砌和开挖土体。并且，在施作衬砌这一分析步中，还需要对每一部分岩土体分别进行衬砌装配、衬砌失效和衬砌激活支护等步骤，最终完成对于隧道开挖的模拟过程。
4.以上下台阶法为例，abaqus软件模拟隧道开挖的顺序为：1.上台阶岩土体模量软化；2上台阶岩土体衬砌支护(包括衬砌装配、衬砌失效和衬砌激活支护)；3.上台阶岩土体移除；4.下台阶岩土体模量软化；5下台阶岩土体衬砌支护(包括衬砌装配、衬砌失效和衬砌激活支护))；6.下台阶岩土体移除。
5.由此可见，现有技术中在利用abaqus软件模拟隧道，需要分段进行衬砌装配、衬砌失效并衬砌激活支护，造成工作量重复。并且开挖岩土体分部越多，重复工作量越大还容易出错，往往会导致程序不收敛等问题。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种模拟隧道开挖的优化方法，以解决现有技术中利用abaqus模拟隧道开挖时，重复工作量大、易出错，导致程序不收敛的问题。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种模拟隧道开挖的优化方法，应用abaqus软件，所述方法包括：
8.依次建立岩土体部件和衬砌部件，并将衬砌部件整体装配到岩土体部件的对应位置；
9.按照预设的分部开挖工法，将所述岩土体部件分割成若干部分岩土体；
10.确定建立地应力分析步、支护分析步、软化分析步和移除分析步的执行顺序；
11.执行地应力分析步，将所述衬砌部件整体失效，实施地应力平衡；
12.执行支护分析步，将所述衬砌部件整体激活，实施衬砌支护；
13.对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步，得到隧道；
14.其中，软化分析步为软化分割后的岩土体中的开挖土体，移除分析步为移除所述开挖土体。
15.在一种可能的实现方式中，在对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步之前，还包括：
16.按照预设的分部开挖工法，确定分割后的各个部分岩土体的开挖顺序；
17.所述对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步，包括：
18.按照确定的开挖顺序，依次对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步。
19.在一种可能的实现方式中，所述软化分割后的岩土体中的开挖土体，包括：
20.减小所述分割后的岩土体中的开挖土体的弹性模量值。
21.本发明实施例提供一种模拟隧道开挖的优化方法，通过依次建立岩土体部件和衬砌部件，并将衬砌部件整体装配到岩土体部件的对应位置；按照预设的分部开挖工法，将岩土体部件分割成若干部分岩土体；确定建立地应力分析步、支护分析步、软化分析步和移除分析步的执行顺序；执行地应力分析步，将衬砌部件整体失效，实施地应力平衡；执行支护分析步，将衬砌部件整体激活，实施衬砌支护；对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步，得到隧道，可以大大减少重复工作量，减少程序出错率，利于程序收敛。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例提供的模拟隧道开挖的优化方法的实现流程图；
24.图2是本发明实施例提供的模拟隧道开挖时的数值模型示意图；
25.图3是本发明实施例提供的不同工况下的隧道拱顶地表点的竖向位移曲线；
26.图4是本发明实施例提供的不同工况下的地表沉降曲线。
具体实施方式
27.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
29.图1为本发明实施例提供的模拟隧道开挖的优化方法的实现流程图，详述如下：
30.步骤101，依次建立岩土体部件和衬砌部件，并将衬砌部件整体装配到岩土体部件的对应位置。
31.依次建立岩土体部件和衬砌部件，并设置岩土体部件和衬砌部件的属性参数。这里的属性参数包括但不限于，弹性模量和泊松比。
32.根据预置的隧道开挖图纸，将衬砌部件整体装配到岩土体部件的对应位置，完成
衬砌部件的整体装配。
33.步骤102，按照预设的分部开挖工法，将岩土体部件分割成若干部分岩土体。
34.隧道的分部开挖工法通常包括上下台阶法、全断面法、环形开挖留核心土法、中隔壁法、上下中隔壁法等。采用不同的分部开挖工法，就需要按照该分部开挖工法的要求，将岩土体部件分割成不同的部分。例如，按照上下台阶法进行隧道开挖模拟时，就需要将岩土体部件分割成上台阶岩土体和下台阶岩土体。
35.利用分部开挖工法对隧道进行分部开挖可以有效减少隧道开挖时对于周围岩土体的扰动。
36.步骤103，确定建立地应力分析步、支护分析步、软化分析步和移除分析步的执行顺序。
37.建立地应力分析步，用于实施地应力平衡，为后续隧道开挖及计算做好准备，依次建立支护分析步、软化分析步和移除分析步，用于进行后续的隧道开挖工作。依次按照地应力分析步、支护分析步、软化分析步和移除分析步的执行顺序，进行模拟隧道开挖工作。
38.步骤104，执行地应力分析步，将衬砌部件整体失效，实施地应力平衡。
39.衬砌部件具有支护作用，将衬砌部件整体装配到岩土体部件的相应位置后，会破坏岩土体部件的地应力平衡。对此，可以在地应力分析步中预先将衬砌部件整体失效，以实施地应力平衡。只有在地应力平衡的条件下，才可以进行后续的隧道开挖工作。
40.步骤105，执行支护分析步，将衬砌部件整体激活，实施衬砌支护。
41.进行隧道开挖时，为避免出现土体滑落甚至坍塌的情况，需要执行支护分析步，将先前失效的衬砌部件整体激活，来支护岩土体部件。
42.在执行支护分析步，激活整体衬砌部件时，可以利用生死单元命令，将衬砌部件整体激活。
43.相比于现有技术中对于每一部分需要开挖的岩土体对应的衬砌部件都进行装配衬砌部件、失效衬砌部件、激活衬砌部件支护的方法，本发明在对岩土体部件进行分部开挖之前，预先将衬砌部件整体装配到岩土体部件中并失效，在隧道开挖时再整体激活，可以大大减小重复性工作量，避免出错，利于程序收敛。
44.步骤106，对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步，得到隧道。
45.其中，软化分析步为软化分割后的岩土体中的开挖土体，移除分析步为移除该开挖土体。
46.也就是说，对于分割后的每一部分岩土体，依次在软化分析步中软化该岩土体中的开挖土体，在移除分析步中移除软化后的开挖土体，得到隧道。
47.可选的，在步骤106之前，还包括：按照预设的分部开挖工法，确定分割后的各个部分岩土体的开挖顺序；
48.相应地，步骤106可以包括：按照确定的开挖顺序，依次对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步。
49.也就是说，按照分部开挖工法的要求，确定分割后的各个部分岩土体的开挖顺序；并按照该开挖顺序，依次对于分割后的各个部分岩土体进行开挖。
50.在对某一岩土体开挖时，需要对该岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步，直
到按开挖顺序依次完成对于所有岩土体的开挖工作，得到开挖完成后的隧道。
51.在执行软化分析步，软化该岩土体中的开挖土体时，可以通过减小对应该岩土体中的开挖土体的弹性模量值，以达到软化模量的作用。
52.实际应用中，可以通过改变开挖土体的场变量来减小开挖土体的弹性模量值。示例性地，在软化分析步中，可以增列一个场变量。并对该场变量分别赋予不同的数值，来对应不同的弹性模量。例如，将场变量赋值为1，对应弹性模量为100；将场变量赋值为2，对应弹性模量值为80，通过改变场变量的值，来达到软化模量的作用。
53.在执行移除分析步，移除该开挖土体时，可以利用生死单元命令将该开挖土体失效以达到移除开挖土体的目的。
54.得到隧道后，对于整个数值模型设定边界条件，施加荷载，并划分网格，再提交abaqus软件进行计算处理，得到竖向位移云图和地表沉降曲线，完成整个的隧道开挖模拟过程。
55.示例性地，可参见图2，图2示出了完整的数值模型21，其中包括隧道22。根据上述步骤101-106，得到隧道22后，对于数值模型21设定边界条件，施加荷载，并划分网格，再提交abaqus软件进行计算处理，完成整个的隧道开挖模拟过程。
56.为方便理解，下面以上下台阶法为例，介绍本发明提供的模拟隧道开挖的优化方法：
57.1、整体装配衬砌、整体失效衬砌并整体激活衬砌(整体施作衬砌)：
58.依次建立好岩土体部件和衬砌部件，并将衬砌部件整体装配到岩土体对应位置中；
59.按照上下台阶法开挖岩土体分界线，将岩土体部件分割成上台阶岩土体和下台阶岩土体两部分；
60.确定建立地应力分析步、支护分析步、软化分析步和移除分析步的执行顺序；
61.执行地应力分析步，将衬砌部件整体失效，实施地应力平衡；
62.执行支护分析步，利用生死单元命令将衬砌部件整体激活，实施衬砌支护。
63.2、上台阶模量软化：在软化分析步中增列一个场变量，并对该场变量进行赋值，不同的场变量值对应不同的弹性模量值，通过改变上台阶岩土体中开挖土体的场变量值，来实现软化模量的作用。
64.3、上台阶岩土体移除：在移除分析步中，利用生死单元命令使上台阶岩土体中的开挖土体失效以达到移除目的。
65.4、下台阶模量软化：在软化分析步中，改变下台阶岩土体中的开挖土体对应的场变量值，实现软化模量的作用。
66.5、下台阶岩土体移除：在移除分析步中，利用生死单元命令使下台阶岩土体中的开挖土体失效以达到移除目的，得到隧道。
67.得到隧道后，对于整个数值模型设定边界条件，施加荷载，并划分网格，再提交abaqus软件进行计算处理，得到竖向位移云图和地表沉降曲线，完成整个的隧道开挖模拟过程。
68.相比于传统的分别对上台阶岩土体和下台阶岩土体进行分部软化模量、分段装配衬砌、分段激活衬砌、分部移除土体的方法，本发明采用整体装配衬砌、整体失效以及整体
激活，再分别对上台阶岩土体和下台阶岩土体进行软化模量和移除土体的方法，可以大大减少重复工作量，减少程序出错率，利于程序收敛。尤其对于分部复杂的开挖工法，例如，上中下隔壁法，本发明的优势更加明显。
69.下面分别按照传统隧道开挖模拟方法(即工况一)和本发明提出的隧道开挖模拟优化方法(即工况二)进行隧道开挖模拟：
70.工况一：按分部软化模量
→
分部施作衬砌(包括装配衬砌、失效衬砌、激活衬砌)
→
分部开挖土体的顺序进行隧道开挖模拟；
71.工况二按整体施作衬砌(包括整体装配衬砌、整体失效衬砌、整体激活衬砌)
→
分部软化模量
→
分部开挖土体的顺序进行隧道开挖模拟；
72.参见图2，对于不同工况下的隧道开挖模拟，最终的竖向位移结果均一致，说明工况二并不会改变最终的竖向位移结果，并且对比于工况一，在对工况二进行隧道开挖模拟时，其竖向位移变化相对更加平缓。由此可见，工况二可以在隧道开挖过程中有效减缓土体回弹现象。
73.参见图3，对于不同工况下的隧道开挖模拟，其地表沉降曲线完全一致，由此可见，本发明提出的整体施作衬砌(包括整体装配衬砌、整体失效衬砌以及整体激活衬砌)、分部软化模量、分部开挖土体的隧道模拟方法，并不会影响隧道的竖向位移结果以及地表沉降结果，并且还能够减缓隧道开挖过程中的土体回弹现象。同时，本发明还能够大大减少重复工作量，减少程序出错率，利于程序收敛。尤其适用于分部复杂的开挖工法，例如，上下中隔壁法等。
74.本发明实施例通过依次建立岩土体部件和衬砌部件，并将衬砌部件整体装配到岩土体部件的对应位置；按照预设的分部开挖工法，将岩土体部件分割成若干部分岩土体；确定建立地应力分析步、支护分析步、软化分析步和移除分析步的执行顺序；执行地应力分析步，将衬砌部件整体失效，实施地应力平衡；执行支护分析步，将衬砌部件整体激活，实施衬砌支护；对于分割后的每一部分岩土体，依次执行软化分析步和移除分析步，得到隧道，可以大大减少重复工作量，减少程序出错率，利于程序收敛，同时，在隧道开挖过程中还能有效减缓土体回弹现象。
75.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
76.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。