FLAC2D 隧道模型向导 (Tunnel Wizard)

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1. 引言

过去使用FLAC进行隧道稳定性分析时，为了节省时间和计算方便，我们通常把隧道的几何断面简化为圆形或者四边形，对于采矿工程的巷道来说，这种近似是可以接受的，特别是早期的数值模拟需要与解析解作比较；然而对于土木工程的隧道，例如公路隧道和铁路隧道，设计的断面形状大多数情况下不是一个纯圆形，如果按圆形来进行数值模拟，在某些情况下可能会忽略掉一些本质的东西，这主要取决于原岩应力的方向和大小以及岩体结构。

过去精确导入一个设计模型很麻烦，后来发展的导入geometry方法在一定程度上解决了这个问题，例如FLAC2D可以导入dxf和stl文件，或者导入图像作为模型背景。对于一个真实的设计来说，导入后的处理过程其实也挺麻烦的。现在，FLAC2D内置了一个隧道模型向导(Tunnel Wizard)可以轻松解决这个问题，如下图所示。在这个菜单的最下部有一个选项"Set default edge parameters"，打开这个选项可以预设置边的参数，一种方法是每一条边划分4份，另一种方法是设置每个单元的长度，在此选择这种方法，定义单元边长为1(sketch edge zone-length-default 1)。这只是一个初步的设置，划分单元后可以调整单元长度。

2. 隧道向导

选择隧道向导(Tunnel Wizard)，共有6种断面可以选择：从最简单的圆形、矩形、垂直拱形，到双拱，3拱和5拱，特别是后三种断面，尽管不能完全复制真实的设计断面，但也代表了大多数土木隧道的设计。

下图所示的是一个公路隧道的设计断面图，最大宽度为15.1m，最大高度为9.62m。

(1) 双拱模型。从上图中可以看出，这不是完全的双拱断面，如果按照双拱模型处理，会与实际的断面形状有少许出入。在这种情形下，隧道的宽比真实值大16.34-15.1=1.24m，高度比真实值大9.85-9.62=0.25m。最重要的是双拱模型与原设计形状相差较大。

(3) 3拱模型。3拱模型的水平线上部与双拱模型一样，增加了左下角和右下角的圆弧部分，因而水平尺寸比真实值大16.25-15.1=1.15m，高度值比真实值大11.56-9.62=1.93m。显然尽管形状比双拱模型更接近真实，但这个高度误差太大，不可接受。

(5) 5拱模型。设计图纸是一个5拱结构，按5拱模型输入参数，长度值相差15.1-15.1=0，高度值相差9.99-9.62=0.34m，下右图是最后产生出的隧道模型。

使用线命令(Line, Polyline)增加外部边界和材料边界，产生非结构化的网格，最后划分单元输出到Model中。

4. Model内的工作

(1) 在Sketch内可以对每个对象定义组名，当在Model内观察时发现所有的slot都设置为construction，Model内的"Assign a Group to the Selection"不能更改slot名称，不清楚啥原因。因此，目前不在Sketch内设置组名，而在Model内设置组名。

(2) 设置单元面，即Top, Bottom, East,West.

(3) 对层材料设置本构模型和材料参数

(4) 保存状态文件geom.sav

5. 计算流程

通过Sketch和Model的工作，已经完成了绝大部分建模工作，接着准备数据文件(main.dat)，包括固定边界(zone gp fix)，初始平衡计算(model solve)，重设位移为0(zone gp initialize displacement)，开挖(zone relax excavate)，再计算(model solve)。下左图所示的是位移，右图所示的垂直应力YY。由于材料参数值是我随便输入的，因此计算结果并不具有实际意义，仅定性地指出隧道顶部的位移量很大，顶部及隧道周边全部是拉应力。

来源：计算岩土力学

材料

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首次发布时间：2023-11-16