来自 UDEC 6.0 Manual →EXAMPLE APPLICATIONS →Tunnel Support Loading
1.问题描述
本实例演示了UDEC在模拟带衬砌的隧道中的应用，特别强调了混凝土衬砌中产生的荷载。 此示例还说明了按顺序施工的各个阶段建模的过程。
隧道系统的理想几何形状如图所示。 该系统由位于海床下方约70米（中心线）深度，中心相距12米的两条隧道组成。 水位最初位于隧道中心线以上110米。
较小的（服务隧道）隧道直径为 5.24 米，带有 37 厘米厚的混凝土衬砌。 主隧道直径为 8.22 米，配有 46 厘米厚的混凝土衬砌。 在对主隧道进行开挖和衬砌支护之前，先对服务隧道进行开挖和衬砌。 安装完主隧道衬砌后，水位又升高了100米。
隧道建造的顺序是：
- 开挖服务隧道；
- 服务隧道衬砌支护；
- 主隧道开挖；
- 主隧道衬砌；
- 提高水位
本次模拟分析的目的是在每个施工阶段评估服务隧道和主隧道的支护情况。
本例的材料参数见下:
岩体——开挖隧道的围岩参数为：
混凝土衬砌——弹性模量为 24 GPa ，泊松比为 0.19. 假定衬砌为线弹性材料。
2.UDEC模拟
为此分析创建的UDEC模型如图所示。 先选择尺寸，使隧道的中心线对应于位置 y = -70 m。 请注意，模型边界非常靠近隧道开挖。 此模型仅用于提供快速计算，以及演示目的。 如果是实际的解决方案将需要一个更大的模型。
通过在 CRACK 和 ARC 命令中添加 join 关键字，可以将生成的虚拟节理“粘”起来成为一个整体，即使用构造节理来创建隧道边界。 这样的话就不必为此示例指定节理模型和属性参数了。
UDEC模型的下边界和侧边界用滚动铰支座边界固定。 通过在模型顶部表面施加 30 m 水头的等效压力来模拟海床上方的海水重量。 假定隧道衬是防水的， 因此，无需执行瞬态地下水流量分析。 忽略孔隙水压力，而将岩体单位重量设置为浮容重 。 假定垂直应力与水平应力之比为静水压力。
对于此示例，上面列出的五个施工顺序是通过三个建模阶段进行模拟的。
主隧道的开挖和服务隧道的衬砌按一个瞬时的活动进行模拟。 还假定主隧道的衬砌和水位的升高是瞬间发生的。 为了更真实地模拟这些活动，应通过逐渐减小隧道周围的围压并在发生规定的松弛后安装支护来分别模拟这些活动。
在模拟的第一阶段，在自重应力被初始化到块体中后，服务隧道被开挖， UDEC 循环计算直到达到平衡状态，产生的弹性位移如图所示。
在第二阶段中，对服务隧道进行衬砌并开挖主隧道。 使用十六个梁单元对服务隧道的混凝土衬砌进行建模。 下图说明了主隧道开挖产生的位移和主应力分布。
在第三阶段，向模型顶部施加一个额外的荷载，以模拟增加的100米深的水的重量。 STRUCT apply pressure 命令用于施加静水载荷（施加至隧道衬砌），来代替隧道中线上方210m的地下水位。 下图分别显示了施加附加载荷后产生的轴力和力矩分布。 服务隧道中的最大轴力约为 5.5×10^6 N，主隧道中的最大轴力约为 9.0×10^6 N。
3.命令流文件
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new
;File:tunnel.dat
config
round 0.1
edge 0.2
block 0,-90 0,-30 69,-30 69,-90
crack (0,-70) (60,-70) join
crack (30,0) (30,-90) join
crack (42,0) (42,-90) join
arc (30,-70) (34.11,-70) 360 12 join
arc (42,-70) (44.62,-70) 360 8 join
arc (30,-70) (35.5,-70) 360 12 join
arc (42,-70) (47.5,-70) 360 12 join
gen edge 2.0
; rock properties
group zone 'rock'
zone model mohr density 1.34E3 bulk 9.9E8 shear 3.3E8 friction 30 cohes &
1E6 range group 'rock'
; initial stress state
boundary stress 102000.0,0.0,102000.0 xgrad 0.0,0.0,0.0 ygrad &
13400.0,0.0,13400.0
insitu stress 102000.0,0.0,102000.0 xgrad 0.0,0.0,0.0 ygrad &
13400.0,0.0,13400.0 szz 102000.0 zgrad 0.0,13400.0
set gravity=0.0 -10.0
solve ratio 1.0E-5 elastic
save tun1.sav
;
; excavate service tunnel
delete range annulus (42,-70) 0 2.62
boundary xvelocity 0 range -1,1 -91,0
boundary xvelocity 0 range 68,70 -91,0
boundary yvelocity 0 range -1,90 -91,-89
history ydisplace 42.0,-67.0
history ydisplace 42.0,-73.0
history xdisplace 39.0,-70.0
history xdisplace 45.0,-70.0
reset jdisp disp
solve ratio 1.0E-5
save tun2.sav
;
; line service tunnel and excavate main tunnel
struct gen begin 39.5747,-69.5376 end 39.5747,-69.5376 max=100.0 min=0.2 &
mat 1
property mat 1 st_density 2.4E3 st_prat 0.2 st_ycomp 1E10 st_yield 1E10 &
st_ymod 2.4E10 st_area 0.37 st_inertia 4.221E-3 st_shape 0.8333 st_spac &
1 st_thickness 0.37 st_width 1 if_cohesion 1E10 if_kn 1E8 if_ks 1E7
delete range annulus (30,-70) 0 4.11
reset disp
solve ratio 1.0E-5
save tun3.sav
;
; line main tunnel and raise water level
struct gen begin 26.3077,-68.4617 end 26.3077,-68.4617 max=1.0E9 min=0.2 &
mat 2
property mat 2 st_density 2.43E3 st_prat 0.2 st_ycomp 1E10 st_yield 1E10 &
st_ymod 2.4E10 st_area 0.46 st_inertia 8.111E-3 st_shape 0.8333 st_spac &
1 st_thickness 0.46 if_cohesion 1E10 if_kn 1E8 if_ks 1E7
boundary stress 0.0,0.0,-1000000.0 range -1,91 -31,-29
struct apply pressure 0.0 2060000.0
reset disp
solve ratio 1.0E-5
save tun4.sav