<p><strong>项目名称</strong>：某隧道开挖分析</p><p><strong>使用软件</strong>：GEO5有限元隧道模块</p><p><strong>项目背景</strong>：隧道场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，其中隧道洞口进出口段斜坡坡度约10°～35°，组成开挖岩体主要涉及粉质粘土，残积砂质粘性土，全风化、砂砾状强风化、碎块状强风化及中风化花岗岩，围岩级别属Ⅴ级，工程地质条件较差，洞口开挖稳定性差。施工采用双侧壁导坑法进行，利用GEO5有限元隧道模块模拟整个开挖过程，分析地表沉降，隧道衬砌内力和变形，同时可实现多种开挖方案的对比分析。</p><p><strong>软件优势</strong>：GEO5隧道模块自带隧道断面生成器，建模方便，可以使用收敛约束法模拟隧道开挖的三维效应，多工况分析符合施工流程。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768032364558.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图1：开挖前隧道洞口情况</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768255848204.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图2：双侧壁导坑法隧道断面建模</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768295897079.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图3：方案一施工工序</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768328224594.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图4：方案二施工工序</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768398599892.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图5：模型网格划分</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768432877669.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图6：方案一各施工阶段围岩最大主应力变化趋势</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768475922978.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图7：方案二各施工阶段围岩最大主应力变化趋势</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768509195738.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图8：方案一各施工阶段竖向位移变化趋势</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768540758610.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图9：方案二各施工阶段竖向位移变化趋势</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768566746383.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图10：方案一各施工阶段支护结构弯矩变化情况</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1617768593368068.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图11：方案二各施工阶段支护结构弯矩变化情况</p>

<p>　　简单介绍如何使用隧道开挖地层损失分析模块，采用Peck沉降预测方法，对暗挖地铁车站引起的地表沉降及对邻近建筑物造成的不良影响进行计算分析。　　　　</p><p>　　本案例为三拱立柱式车站，拱顶距地表15m。车站从地表某建筑物中下方穿过，建筑物宽40m，埋深5m。平均建筑荷载为200kN。图1为车站横断面。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174211405470.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图1 三拱立柱式车站断面图</p><p>　　场地地层分布及土层物理性质如表1所示。</p><p style="text-align: center;">表1 土层参数表</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174230193954.png" alt="image.png"/></p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　在「分析设置」界面中，选择「经典理论」分析方法，经典理论选择「Peck」理论，沉降槽形状选择「Gauss曲线」，反弯点计算系数设置为2.50。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174253958580.png" alt="image.png"/>&nbsp;&nbsp;</span><br/></p><p style="text-align: center;">图2 分析设置</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　在「建筑物」设置界面中定义建筑物位置。将坐标x1设置为0.0m，x2设置为40.0m，高度v为10.0m，深度h为5.0m。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174272309408.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图3 建筑物位置设置</p><p>　　绘制剖面土层、参照表1添加岩土材料并指定给对应的土层。</p><p>　　在「截面尺寸」设置界面中添加隧道。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174290179517.png" alt="image.png"/>&nbsp;&nbsp;</p><p style="text-align: center;">图4 中间隧道设置参数</p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174396664604.png" alt="image.png"/>&nbsp;&nbsp;</span></p><p style="text-align: center;">图5 左侧隧道设置参数</p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174412490376.png" alt="image.png"/>&nbsp;&nbsp;</span><br/></p><p style="text-align: center;">图6 右侧隧道设置参数</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　设置完所有的参数以后，在「分析」界面中查看沉降计算结果。结果可以看出地表最大沉降为31.3mm，最大水平变形为14.0mm，沉降槽长度为58.62m。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174436288631.png" alt="image.png"/>&nbsp;&nbsp;</span><br/></p><p style="text-align: center;">图7 地表沉降槽</p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174459457489.png" alt="image.png"/>&nbsp;</span><br/></p><p style="text-align: center;">图8 计算图表</p><p>　　在「破坏」界面中查看隧道开挖对地表建筑物的不良影响。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174578440438.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图9 张裂缝破坏分析</p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1615174600595730.png" alt="image.png"/>&nbsp;&nbsp;</span><br/></p><p style="text-align: center;">图10 沉降梯度破坏分析</p><p><br/></p>

<p>　　本隧道工程修建于某褶皱构造的背斜处，隧道顶部的岩土层最小厚度为22m，隧道初始衬砌的厚度为200mm，喷射混凝土型号为C30。隧道拱部采用锚杆支护，锚杆材料为Φ22螺纹钢筋，锚杆长度为4.0m。隧道及围岩结构如图1所示。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624675748332.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图1 隧道及围岩结构示意图</p><p>　　本案例采用GEO5岩土工程有限元分析模块进行分析，共分为八个计算工况。</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　在工况阶段「建模」中进行分析设置、添加岩土材料、建立几何模型、设置接触面类型及生成网格等。我们可以将已经建好的隧道模型文件，直接导入到软件之中。成功将地层和隧道模型导入到软件之中以后，在「岩土材料」中添加岩土材料，这里将所有岩土材料的模型均选择Mohr-Coulomb弹塑性模型。岩土材料添加完成以后，在「指定材料」界面中将岩土材料指定给各自对应的岩土层。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624688488809.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图2 指定岩土材料</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　接着在「接触面类型」中定义隧道衬砌和周围岩土体之间的接触面类型，注意将材料模型选择「Mohr-Coulomb模型」。接触面添加完成以后，即可启动网格生成操作。</span><br/></p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　点击进入工况阶段[1]，在本工况中分析地层初始地应力。在「分析」界面中直接点击「开始分析按钮」。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624701770297.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图3 竖向有效应力云图</p><p>　　添加工况阶段[2]，在本工况中模拟隧道拱部开挖以后围岩的变形情况。在「激活/冻结分区」中添加新挖方，冻结百分比设置为40%，并将其指定给本工况需要挖除的两个隧道上台阶区域。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624712218147.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图4 上台阶开挖以后围岩竖向位移云图</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　添加工况阶段[3]，在本工况中模拟隧道拱部进行衬砌和锚杆支护以后围岩的变形情况。将「上台阶开挖」挖方再冻结30%，并在「梁」界面中为隧道拱顶添加衬砌和锚杆。因为本工况模拟的是未成熟的混凝土，所以在添加衬砌时注意将混凝土弹性模量和剪切模量分别降低为3000MPa和1200MPa。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624725298964.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图5 添加衬砌与锚杆</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624736828689.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图6 拱墙支护以后（混凝土尚未成熟）围岩竖向位移云图</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　添加工况阶段[4]，在本工况中模拟衬砌混凝土成熟（即已经达到设计强度）以后围岩的变形情况。将「上台阶开挖」挖方再冻结30%，即不再考虑围岩的自承能力。在「梁」界面中提高衬砌混凝土的材料强度，将弹性模量和剪切模量分别提高到30000MPa和12000MPa。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624749277603.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图7 衬砌弯矩分布图</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　添加工况阶段[5]，在本工况中模拟隧道下台阶开挖以后围岩及支护的变形情况。在「激活/冻结分区」界面中点击添加新挖方，将冻结百分比设置为40%，并将其指定给本工况需要挖除的两个隧道下台阶区域。</span><br/></p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624759270864.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图8 冻结分区</p><p>　　添加工况阶段[6]，在本工况中模拟隧道边墙衬砌以后围岩的变形情况。将「下台阶开挖」挖方再冻结30%，并在「梁」界面中为隧道边墙添加衬砌，</p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624771287081.png" alt="image.png"/><span style="line-height: 1.5em;"></span></p><p style="text-align: center;">图9 添加隧道边墙衬砌</p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624782123342.png" alt="image.png"/></span><br/></p><p style="text-align: center;">图10 边墙衬砌以后围岩竖向位移云图</p><p><span style="line-height: 1.5em;">　　添加工况阶段[7]，在本工况中模拟隧道边墙衬砌混凝土成熟以后围岩的变形情况。将「下台阶开挖」挖方再冻结30%，并在「梁」界面中提高边墙衬砌混凝土的材料强度。</span></p><p style="text-align: center;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624794691744.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">图11 初次支护以后衬砌弯矩分布</p><p style="text-align: center;"><span style="line-height: 1.5em;"><img src="http://www.wen.kulunsoft.com/u ... ot%3B title="1604624803593474.png" alt="image.png"/></span><br/></p><p style="text-align: center;">图12 初次支护以后衬砌法向变形</p><p><br/></p>

<p><strong>1 引言</strong></p><p>本文简要介绍了GEO5「竖井设计」模块中使用的空间土压力（三维土压力）理论 ，该理论确保了竖井设计方案的经济可靠 。</p><p><strong>2 空间土压力</strong></p><p>如果圆形竖井的深度大于其直径，那么空间土压力将远小于采用经典土压力理论（平面应变假设 ）计算得到的土压力 。如果将无限开挖（纵向 长度无限）、有限开挖和圆形竖井的典型破坏面进行比较，可以明显看出三者之间的区别，如图 1。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://wen.kulunsoft.com/uploa ... ot%3B title="1490359511106738.png" alt="blob.png"/></p><p style="text-align: center;">图 1 无限开挖、有限和圆形竖井的破坏面形状</p><p>基于不同的支护结构和施工方法，作用在圆形竖井上的空间土压力可以分为三种不同的情况。</p><p><strong>2.1 柔性支护结构</strong></p><p>典型的柔性支护结构有喷射混凝土衬砌（shotcrete shaft lining）和柔性钢（yielding steel mining support）。采用 这种 支护 结构时， 假设施加衬砌前，土体就已经发生了变形。因此，根据Berezantzev的理论，此时作用在竖井上的土压力为空间主动土压力。&nbsp;</p><p><strong>2.2 刚性支护结构</strong></p><p>典型的刚性支护结构为钻孔灌注桩（bored pile&nbsp;shaft），且各灌注桩共同形成一个无缝圆。采用这种支护结构时，假设桩后土体在开挖过程中不发生变形。因此，基于Cheng&amp;Hu的理论，此时作用在竖井上的土压力为空间静止土压力。</p><p><strong>2.3 半刚性支护结构</strong></p><p>典型的半刚性支护结构为带腰梁的板桩墙（sheet pile walls supported by wale beam）。采用这种支护结构时，假设土体开挖后，施加腰梁之前桩会发生一定的变形。因此 ，此时作用在竖井上的土压力为 1/2柔性结构假设下的土压力+1/2刚性结构假设下的土压力。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://wen.kulunsoft.com/uploa ... ot%3B title="1490360231355971.png" alt="blob.png"/></p><p style="text-align: center;">图 2 柔性结构、刚性结构、半刚性结构</p><p><strong>3 竖井截面上的土压力分布</strong></p><p>当竖井截面上的土压力为均布分时，竖井衬砌仅受轴力作用。但是，实际情况中的土体通常是非均质 的。因此，可以通过以下函数来表示作用在竖井截面上的土压力，从而在设计时对土体的非均质性加以考虑（图 3）。</p><p style="text-align: center;">P_d = P + 0.25Pcos2φ</p><p style="text-align: center;"><img src="http://wen.kulunsoft.com/uploa ... ot%3B title="1490360439650277.png" alt="blob.png"/></p><p style="text-align: center;">图3 竖井截面上的土压力分布</p><p><strong>4 例 - 柔性支护结构</strong></p><p>对于布拉格地铁C号线某隧道竖井，其开挖半径为2m，深度为20 m，土体参数为：γ = 19kN/m³, φ = 25°, c = 10kPa。按照空间土压力理论设计后，实际监测数据证明设计方案安全可靠。</p><p style="text-align: center;"><img src="http://wen.kulunsoft.com/uploa ... ot%3B title="1490360620125315.png" alt="blob.png"/></p><p style="text-align: center;">图4 平面土压力（蓝色短划线）和空间土压力（红色连续线）</p><p><strong>5 结论</strong></p><p>总的来说，空间土压力要小于平面土压力（二维土压力）。在第 4节的例题中，平面土压力比空间土大 14倍（图 4）。因此，当竖井的深度和直径之比较大时，如果依然按照平面土压力理论计算，将使得设过于保守从而造成大量的浪费。</p>