地质条件复杂挑战大！深埋隧道建模难吗？技术要点有哪些

导读：大家好，我是马璐寒，人称二小姐，专注工程仿真计算。近日，由我原创，且独家首发仿真秀官网的midas GTSNX基础培训课程《从零开始学midas GTS NX20讲：从软件功能讲解到基坑案例实操》终于更新完结，欢迎小伙伴查看。

一、写在文前

近日，在我的仿真秀课程VIP用户群，有人提出：大埋深隧道模拟可以局部建模，上部的重量直接加荷载模拟吗？其中一位学员为他推荐了我之前写过的一篇文章《深埋隧道模拟》，并告知他按照规范，取上部压力就可以，采用载荷模拟，最终帮助他解决问题。这样学习氛围很是欣慰！

二、大埋深隧道项目现状

近年来，随着中国经济的发展和铁路、公路等基础设施建设的不断推进，大埋深隧道项目日益增多。这些大埋深隧道项目通常面临复杂的地质条件和施工技术挑战，但它们的建设对于促进区域经济发展、加强地区间联系具有重要意义。当前最典型的大埋深隧道项目包括：

1、深汕高铁竹园二号隧道

重要性：深汕高铁是深圳都市圈的重要交通动脉，将实现合作区到深圳中心区仅需30分钟的快速通达，对于加快合作区与深圳一体化发展、融入粤港澳大湾区具有重要意义。

2、胶州湾第二海底隧道

技术难度：存在超特长隧道通风防灾、大断面隧道穿越大规模断裂、超大直径盾构与钻爆法隧道海中对接等世界级难题。

3、珠江口隧道（深江铁路项目）

工程进展：正在施工中，面临复杂的水文地质条件。

三、深埋隧道的建模

隧道建模，其实是比较简单的，因为几何形态相对简单，结构也比较简单，相对来说没有太多难点，所以写隧道建模的比较少。但是近期遇到几位工程师朋友问深埋隧道建模的问题，我整理一下我自己做深埋隧道时候的思路供大家参（拍）考（砖）。今天我们再次来聊聊深埋隧道的建模方式~

深埋隧道的建模整体跟浅埋隧道一致，区别在于以下3点：

1）模型建模范围怎么定？

我在做深埋隧道建模时，一般深度方向并不将隧道上覆全部岩土体建出来，因为有些山岭隧道，埋深特别大，也会造成计算模型特别大，带来不必要的计算负担。一般来说，上覆围岩厚度，需要计算一下深浅埋隧道的分界深度Hp，Hp范围建出来即可。所以隧道拱顶到计算模型顶面取Hp厚度。

隧道底到模型底以及隧道左右两侧到模型左右两侧的取值范围，按照浅埋隧道的取值方式建模即可，一般来说，能把隧道施工产生的扰动区域，也即可能影响区包含进去即可。有时按照隧道结构的有效轮廓的宽度D，取隧道左右侧、或底面到模型边界的距离≥3D。

例如，一个埋深622米的隧道的建模范围可能是如下图所示的样子：

2）地应力怎么处理？

按照1）中的建模范围来做的时候，由软件自行计算出来的地应力比较小。但是深埋隧道的隧道埋深位置地应力往往比较大，可以用“初始平衡力”命令，将地层的地应力加在模型上。

计算一下模型顶面到地面的距离h，然后根据岩体重度，计算模型顶面位置的地应力值，模型范围内的软件可以根据设置的岩体参数自动计算。

【初始地应力输入示意】

【初始地应力模型添加效果】

【计算结果对比】

3）深埋隧道的结构内力大到失真怎么处理？

如果按照常规做法，隧道的建模一般是这样的：开挖隧道开挖阶段，钝化区域B和C区域的网格，结构施工阶段，重新激活区域B的网格，同时附加“修改属性”的命令，将区域B的围岩材料性质变化为钢筋混凝土结构的材料性质。

这样处理符合常规建模逻辑，建模和分析是不存在任何报错的，但是这样处理的结果就是，得到的结构内力特别大。深埋隧道所处位置，大多岩层条件较好，围岩具有自稳定能力，结构实际承受的荷载可能很小，计算得到的结果特别大，是因为钝化后又重新被激活的网格组，已经带有应力结果，重新激活时，该应力结果会体现在结构施工阶段。这个问题解释起来比较麻烦，但老生常谈的一句话就是，“位移可以清零，但是内力是无法清零的”，所以这里需要进行“技术处理”。感兴趣的可以在仿真秀官网搜索GTS NX中的“应力清除术”详细看一看，有点绕。

技术处理的手段就是，创造一个全新的不带有应力历史的网格组用于模拟衬砌结构，只要这个网格组是与围岩节点耦合，可以正常受力的就可以了。使用“复 制”命令，将前文中的区域B的网格组原位置复 制一个，得到D网格组就可以了，复 制的网格组D，给予结构材料的性质。复 制的网格组与围岩是天然耦合的。或者可以直接将该位置对应的实体划分两次网格，得到B和D网格组，B赋予为围岩材料，D赋予结构材料。然后在施工阶段的开挖工况钝化掉B，结构施工阶段激活网格D,同样可以实现。

技术处理后，结果是这样的：

这种思路也可以活用在很多其它类似的情况上。

对GTS有一定了解的工程师可能会问，设置荷载释放系数LDF，充分考虑围岩自稳能力不行吗？答案是：不行。

在3）的基础上，设置LDF可以控制围岩和衬砌的荷载分担比例，但是并不能解决我们本文中说的内力失真的问题。感兴趣的可以自行尝试一下。

四、我的midas GTS NX基础培训课

深埋隧道其它的建模细节，都跟浅埋隧道基本一致了~

更多内容推荐大家关注我的midas GTS NX基础培训课程《从零开始学midas GTS NX20讲：从软件功能讲解到基坑案例实操》。这是笔者2023年在仿真秀独家原创是视频教程，致力于midas GTS NX功能讲解到案例实操（step by step），包括论文计算，工程仿真，方案对比和安全评估。

以下是课程大纲：

《从零开始学midas GTS NX20讲：从软件功能讲解到基坑案例实操》

1、适听人群

• 学习型仿真工程师

• 设计院-基坑分析从业者

• 理工科院校.学生-基坑相关分析

• 有限元数值模拟研究者和兴趣爱好者

（完）