典型隧道断面的设计与数值模拟
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇典型隧道断面的设计与数值模拟范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：随着社会生产的发展，高速公路的出现，要求线路顺直、平缓、路面宽敞，于是在穿越山区时，也常采用隧道方案。公路隧道作为高速公路的构造物，在多山国家或地区高等级公路建设中采用隧道方案可以缩短里程、节省投资。但公路隧道的建设涉及多个学科，具有地下工程的不确定性，在建设中依然存在着不少的工程技术问题，其目前的修筑技术还制约着高等级公路交通建设水平的提高。对于隧道的形状，大多数的采用盾构法与矿山法进行开挖，部分采用沉管法施工。。本文采用的是选取不同的隧道形状，运用进行理论分析。由于目前缺乏对隧道的断面理论全面系统的解析，我们通过研究分析历史文献并根据自己的理解，以及运用商业软件ADINA对于不同形状进行数值模拟并定性。
关键词：常见隧道断面 ADINA 数值模拟
一、常见公路公路隧道解析
常见的公路隧道断面形状，上面是一个半圆或是接近半圆的抛物线弧形，下面是一个长方形，称为直墙拱形。
在公路隧道等地下工程建设中，人们不断地追求在各种荷载作用下围岩的性态响应 ， 使其达到预定的要求。隧道洞室的轴线一旦选定以后，事实上围岩的介质和初始地应力场等边界条件也就客观存在不能改变了， 故设计中只能不断地调整洞室断面的几何形态、尺寸等， 以改善围岩的应力分布及其稳定性状态。隧道断面形状设计的方案不是唯一的，而是有许多方案可供选择，这就提出了优化问题。
隧道能够改善目的地之间的连接状况，所以它的功能十分重要。事实上，对于地下空间的有效利用对于能源，净水，人防和其他方面都有好处。但是在另一方面，隧道的建设很昂贵并且经常不确定而且需要一个很高的科学技术水平。
隧道真正的坍塌的机理相当复杂并且受到多种随机因素影响，且受到内部微小的裂缝以及破碎的影响。现在还是使用太沙基的理论来分析来分析围岩的等级，这种简单并且经验主义的方式还是被广泛的利用。但是现今的情况下，分析出来的结果还是因人而异，且它们的实施还是严重依赖于设计者的经验和判断。有限元分析和其他的方式可以模拟这些安全程度问题，但是在模拟与验证这些问题上会有麻烦。现今很多的实例都是基于塑性理论而不是基于动力学方法的坍塌分析，这样可能会有误导。因为在弹性分析和有限元分析中，第一个屈服点并不符合实际破坏机理。
1.2最常见的隧道横截面
不同的隧道的形状是可以想象的，例如正方形，而最广泛的是圆形。隧道形状的选择是为了适应功能的要求并且使衬砌的压力最小化。更进一步的对与隧道形状的要求是空气流通，维护，风险管理，避免使用者的幽闭空间恐惧症，隧道内部的空气阻力。
一个嘴型的隧道是有几个圆形组成的，相邻的曲率半径不应该超过5（ ）最小半径不应该小于1.5m。接下来的关系式扁口的几何特征，主要的变量已经获得
一个隧道设计的典型问题就是使一个扁嘴形内切于一个矩形，那就是要选择适当的 使对应的扁嘴形能够包含矩形。一个可行的进程包含了首先选择 然后评价
这样选择。
经常，隧道的形状是由给定的横断面的面积决定的。典型的数值从10平方米的下水道到100平方米的两车道高速铁路隧道。一个隧道的横断面由结合的圆形截面堆砌在一起。事实上，一个多圆的截面有很少与圆形截面相比不必要的地方并且易于改变临近结构的设计。
二、类似的圆形横断面的例子。
在先前的部分，一个分析方法来分析即将发生的坍塌在隧道顶上（霍克布朗岩体）被用于任意的剖面图基于两种强度指标。
并且一个特殊的广义的压力p、为了考虑真实的隧道剖面图。最广泛的剖面图形是圆形，这种情形会在接下来的情形会用到，但是这种做法会被直接延伸到隧道洞口或者是多园形横截面。
三、ADINA介绍
3.1 ADINA 程序提供了世界领先的、用于 2D 和 3D 固体应力分析以及静力学和动力学中结构分析的功能。分析对象可以是线性的或者非线性的， ADINA 程序在接触分析方面具有超强的实力。ADINA 程序为固体、桁架、梁、管道、金属板、壳体和缝隙提供了多样化和通用的有限元，材料模型有金属、土壤与岩石、塑料、橡胶、织物、木材、陶瓷和混凝土可选。针对数值模拟部分，我们使用软件为ADINA，分别建造不同的隧道断面模型，其他物理条件相同，唯一的变量为隧道的形状。
3.2施加重力荷载
表示隧道上方的重量都施加在隧道上方。确定重力荷载方向向下，取重力加速度为9.8
3.3定义材料属性
本隧道截面定义两种材料，衬砌，岩体。衬砌假定为各向同性材料，隧道的岩体为摩尔-库伦材料。我们假定的材料参数为：围岩 密度2400kg/ 变形模量500MPa，泊松比
3.4设置初始地应力场：
3.5坐标变换
由于初始地应力场加载在单元坐标系，所以需要定义一个用于初始应变轴方向的正交坐标系轴。
3.6定义单元组。
将圆形隧道截面按照先后施工顺序，分为三个单元，定义组号1，2，3。
3.7划分单元
· 点击相应图标进行单元划分
· 单元一对应的的Surface为1——4
· 单元二对应的的Surface为5——9
· 单元三对应的的Surface为10——13
3.8单元生死
定义单元的生死是指在隧道开挖的过程中各个部分的开挖过程，出生是指部分的存在，确定一个单元“死”是指开挖的过程。确定不通的单元部分的生死时间，来模拟整个隧道的开挖过程。单元“死亡”该部分消失
3.9设置刚度
通过ADINA设置结构的刚度。即设置单元刚度消失时间来模拟隧道逐步开挖过程中逐渐失去支撑的过程。
3.10得出相应求解结果
3.11得出对于不同断面的隧道形状的求解结果
分析结果可以定性分析出对于圆形的隧道，受力更加均匀同时应力集中（颜色突变）更少，这样对于实际停用很有参考价值。透过ADINA的详细的后处理图，可以看到在施加相同荷载的条件下，隧道以及衬砌各部分的位移情况以及变形程度进而为在实际生产中提供科学的依据。
参考文献：
[1]Analytical solutions for collapse mechanisms in tunnels with arbitrary cross sections
M. Fraldi *， F. Guarracino
[2]《ADINA应用基础与实例详解》（岳戈、陈权编） 人民交通出版社
[3]《ADINA有限元经典实例分析》（马野，袁志丹，曹金凤）机械工业出版社
[4]《ADINA流体与流固耦合功能的高级应用》（岳戈编著）人民交通出版社
[5]《隧道工程》（第二版） 朱永全 中国铁道出版社
[6]《地下洞室的结构计算》 汪胡桢 电力工业出版社