深埋隧道模拟

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大家好，我是马璐寒~~今天我们来聊聊深埋隧道的建模方式~

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，所以写到隧道建模的比较少。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）。

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”。感兴趣的可以点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。