圍巖開挖的案例
兩條平行巷道開挖后圍巖應力和位移分布的數值模擬
1 引言
礦業交流群內一位工程師問了這么一個問題：在RMR分級為2類的圍巖中，開挖兩條平行巷道，巷道斷面尺寸為4m*4m, 巷道之間的距離為4m, 問放炮會不會把兩條巷道穿透？群內工程師們進行了熱烈的討論，從理論和實踐的角度提出了許多觀點。這個筆記簡要從兩條巷道之間圍巖的應力和變形討論了設置的安全距離。
2 確定巖體參數
由于沒有提供更多的巖體和施工信息，因此作為定性解釋，作了許多假設。首先假定巖體為火成巖之類的(玄武巖，流紋巖，輝長巖等)巖石，巖石的單軸抗壓強度取近似的平均值175MPa [三大類巖石的強度特性(C2)(中英文詞匯對照)]；巖石密度取0.027MN/m^3, 巷道埋深為300m, 因此垂直原巖應力為8MPa, 水平原巖應力假定為垂直原巖應力的一半4MPa[原巖應力(in-situ stresses)的估算]。
假定巖體為各向同性，按RMR為II類來考慮，為了安全起見，取其最小值RMR=60, 使用Hoek(1995)建議的關系式：GSI=RMR-5, 得GSI=55。此外，巖石參數取mi=25，擾動系數按最不利的情況來考慮(爆破質量差) D=0.8, 使用[巖體變形模量的估算---Python實現]中的代碼Hoek-Brown.py估算巖體參數，其結果如下：(1) 內摩擦角=46度；(2) 粘結力=2.53MPa; (3)巖體的單軸抗壓強度=30.36MPa; (4) 巖體的單軸抗拉強度=0.11MPa; (5) 巖體的變形模量=10584.5MPa. 這些參數值作為輸入參數進行了下面的數值模擬。
3 巷道圍巖的應力和變形
為了簡單起見，假定兩條巷道開挖同時完成，并且不考慮分步開挖和材料軟化。我們重點想了解一下巷道之間圍巖的應力分布和變形。
展開 新手模擬隧道開挖的常用幾種方法
1.作為新手，在模擬隧道方面，最開始會受《ABAQUS在巖土工程中的應用》一書上的例子的影響，在模擬時會采取隧道圍巖和襯砌分別建立PART，然后分別定義屬性，在ASSENBLY中組裝，用TIE約束圍巖和襯砌變形。采用model change 控制圍巖開挖和襯砌加入。但由于TIE約束本身的缺陷，該方法劃分網格后，節點調整后，對于大的3D模型，求解和精度都有一些問題。
2、隨著認知的增加，漸漸你會發現，其實一般隧道的模擬不是這么做的，一般是在只建立一個part，partition出襯砌和開挖塊。對于單獨襯砌建立集合和小集合后。劃分網格，在job模塊，write input，然后在inp文件中用elcopy對襯砌集合生成另一個節點號相同但是單元號不同的集合。對該集合賦予襯砌性質。最后再采用生死單元model change。
3、采用field和temperature來變化材料性質。這個方法很明了，就是只能采用的本構模型比較簡單。實際模擬不好用。inp文件下次再傳。
4、采用input方法，直接導入模型節點，和各材料的單元。可以借鑒《ABAQUS在隧道與地下工程中的應用》一書。其實該書還是不錯的。雖然很多童鞋覺得不好、但是abaqus雖然作為CAE軟件，input文件的修改和書寫還是很關鍵的能力。還是要像ANSYS一樣啃命令流呀。查閱下自帶的幫助文件。
展開 基于FLAC3D的地下硐室通道錨網噴支護分析
模擬考慮了具體的施工過程，即先進行圍巖的開挖，接下來進行混凝土噴層及網片的施工，再進行錨桿的安裝施工。分節段先前推進，每個節段的進深為2.4m。在FLAC3D中模擬施工開挖比較方便，只需要賦予應該開挖部分的圍巖null模型，該部分圍巖的剛度等材料屬性就被設置為極小的數值，相當于從模型中被挖去。本次模擬出于演示的目的，共有5個開挖步，每步開挖2.4m，直至開挖貫通整個模型的縱向。
開挖完每一段巷道巖體后，圍巖的應力發生釋放，圍巖產生變形。之后馬上進行錨網噴施工。混凝土噴層厚25mm，錨桿間排距800mm，錨桿長度2.5m。混凝土噴層采用liner單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。一個開挖完畢節段內安裝的噴層和錨桿情況如下圖所示。
圖11 第一節段開挖結束后錨桿和噴層布置圖
支護結構安裝完畢后，繼續進行下一個節段的開挖。開挖后進行噴層和錨桿的支護施工。以此類推。圖12為開挖完成三個節段后的噴層和錨桿布置圖。
圖12 第三個節段噴層和錨桿布置圖
重復以上過程直至整個巷道縱深都開挖完畢。每一次開挖都回引起新的不平衡力，再不斷的迭代計算過程中，不平衡力逐漸減小直至比率達到1×10-5，計算基本達到平衡。
在代碼中一個截面的錨桿的施工被集成到一個函數中，該函數通過循環語句實現了多個單根錨桿的安裝，而每一根錨桿的安裝都包括原有連接的刪除、新連接的建立、連接屬性的設置等一些列的操作。因此代碼是高度集成和簡化的。在后面的每一節段的開挖支護施工中，只需要指定開挖截面的位置，然后調用開挖函數、錨桿支護函數就可以完成相應的任務。
開挖和支護全部完成后的錨桿和噴層支護情況如圖13所示：
從圖14中可以看出，在錨桿與噴層間具有節點連接的部位，存在明顯的相互作用，由于錨桿拉力的存在，對噴層所受的法向壓力起到了抵消作用。
展開 基于FLAC3D的地下硐室通道錨網噴支護 附FLAC-3D深基坑的開挖與支護的命令流下載
錨桿加固的作用是提供局部抵抗巖塊滑動及裂縫開展的剛度。錨桿借助于水泥漿或樹脂藥卷沿其長度方向提供了抗剪能力。錨桿及錨索采用cable單元進行模擬。
計算模型的邊界條件主要采用位移邊界條件：在模型底邊施加豎向位移約束，在模型左右豎向邊界面施加水平位移約束，在模型的前后豎向邊界面施加前后的水平位移約束。在FLAC3D中，位移邊界的實現是通過約束指定范圍內網格節點(gridpoint)的速度實現的。
地應力主要包括自重應力和構造應力在巖體上產生的初始應力狀態。結合淮南地區深部地應力的特點，取豎向應力和水平應力相等，數值按巖體自重應力換算而來。初始應力如圖10所示。
模擬考慮了具體的施工過程，即先進行圍巖的開挖，接下來進行混凝土噴層及網片的施工，再進行錨桿的安裝施工。分節段先前推進，每個節段的進深為2.4m。在FLAC3D中模擬施工開挖比較方便，只需要賦予應該開挖部分的圍巖null模型，該部分圍巖的剛度等材料屬性就被設置為極小的數值，相當于從模型中被挖去。本次模擬出于演示的目的，共有5個開挖步，每步開挖2.4m，直至開挖貫通整個模型的縱向。
開挖完每一段巷道巖體后，圍巖的應力發生釋放，圍巖產生變形。之后馬上進行錨網噴施工。混凝土噴層厚25mm，錨桿間排距800mm，錨桿長度2.5m。混凝土噴層采用liner單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。一個開挖完畢節段內安裝的噴層和錨桿情況如下圖所示。
展開 
應變軟化模型(Strain-Softening and IMASS)
IMASS是從研究自然崩落法的塊體破碎發展出來的高級應變軟化模型，IMASS模型能夠模擬圍巖的開挖損傷帶。
3 應變軟化模擬結果
使用應變軟化模型(block zone cmodel assign strain-softening)試驗《壓縮試驗模擬考慮的幾個問題(本構模型和NMD算法)》中的例子，可以看出，應力峰值之前的響應與Mohr-Coulomb模型相同，但峰值之后的應力顯現出軟化行為，累計的塑性剪切應變導致了巖石從峰值到殘余值的軟化。這個試驗也顯現出圍壓對應力的影響，即模型內部中心點的應力高于表面的應力。
4 剪切帶的生成
在顯式的動態模擬系統中，初始條件的微小變化，可能會得出不同的解，這種現象稱之為分叉現象(bifurcation)。一個彈塑性材料的剪切試驗可能是均勻的變形，也可能表現出剪切帶，其中剪切應變是局部出現而不是均勻分布的。理論上，如果一個數值模型有足夠多的單元，那么就可以產生出剪切帶。分叉過程的理論研究表明，即使材料沒有應變-軟化，只要膨脹角小于內摩擦角，就會形成剪切帶，應變軟化的材料更容易生成剪切帶。下圖所示的是上述例子運行100萬個時步產生的最大剪應變圖，可能是由于單元劃分得太大，因而生成得剪切帶還不夠明顯，這將在后續的工作中進行改進。
展開 水工隧洞不同工況爆破開挖對臨近隧洞動態響應分析
模型主要包括圍巖，開挖隧洞襯徹，炸藥，空氣四部分，網格在開挖隧洞區域采用20cm的基本尺寸，其余區域采用50cm的尺寸，水工隧洞單孔不同藥量爆破作用下臨近隧洞的動態響應分析以及單孔同一藥量在不同厚度含弱巖層作用下對臨近隧洞的動態響應分析模型中，炸藥單元數為256個，空氣單元數為10800個，襯徹單元數為2507個，圍巖單元數為126898個，單元總數為140461個；同一藥量的三孔在不同起爆時間和次序的爆破作用下對臨近隧洞的動態響應研究中，炸藥單元數為768個，空氣單元數為7670個，襯徹單元數為2093個，圍巖單元數為99317個，單元總數為109848個。
圍巖，襯徹，炸藥，空氣等所有模型單元均采用solid164實體單元。其中圍巖，隧道等采用單點積分的常應力實體單元，為1號單元算法，該單元算法是純粹的lagrange算法，特點是單元網格依附在材料上，單元隨著材料的流動而變形，如果結構變形巨大，材料流動較大時，會造成單元網格畸變，引起求解終止，因此當模型有較大變形時，不適合采用改種算法，本文空氣和炸藥在分析過程中炸藥會產生較大的膨脹，空氣也會受到擠壓產生較大變形，因此不適合采用lagrange算法。
展開 隧道變形在線監測過程中應用的光纖應變傳感器
隧道及地下工程圍巖的變形破壞主要有巖爆、坍塌和大變形。巖爆是一種硬巖在高地應力下的脆性破壞；坍塌和掉塊是圍巖受一定結構控制下的局部變形破壞現象；而圍巖大變形可以界定為除了巖爆運動脆性破壞和圍巖松動圈中受限于一定結構面控制的坍塌、滑動等破壞以外的圍巖變形破壞，其特點是具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞。有拱頂的沉降變形，相應的就會有偏壓引起的拱腳、側墻的變形，膨脹系數大的圍巖還會有仰拱變形隧道是埋置于地層內的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。隧道可分為交通隧道，水工隧道，市政隧道，礦山隧道。
隧道監測的目的 :
隧道施工中的監控量測是保障工程建設的安全、質量、地面車輛以及沿線建筑和管線正常運行的重要手段。
監測目的大致分為：
掌握監測工程對周圍環境的影響，主要為地表沉降，地上建筑物沉陷等。
掌握圍巖在施工中的動態，控制圍巖變形，指導施工作業。
確認支護參數和施工方法的合理性、準確性，為初期支護和二次襯砌設計參數的調整提供依據，驗證支護結構效果。以便及時確定施工對策和措施，以確保安全地施工。
校核地下工程理論計算結果，為理論解析、數值分析提供計算數據與對比指標；為優化設計提供依據，保證隧道既穩定又經濟。通過量測了解該工程條件下所表現、反映出來的一些地下工程規律和特點，為今后類似工程或工法本身發展提供借鑒、依據和指導作用。
隧道洞內外觀測:
在每個開挖面進行，特別是在軟弱破碎圍巖條件下，開挖后由隧道工程師和地質工程師立即進行地質調查，觀察后繪制開挖工作面略圖（地質素描），填寫工作面狀態記錄表及圍巖級別判定卡。
開挖后未被支護圍巖的觀測，如節理裂隙發育程度及其方向；開挖工作面的穩定狀態，頂板有無坍塌；涌水情況：位置、水量、水壓等；底板是否有隆起現象。
展開 Golden Software Surfer(V23.1.162)地圖向導(Map Wizard)---等值線圖
盡管云圖看起來更好看一些，但有時等值線圖更能清晰地顯示和表達數據，特別是一些局部數據，例如在地下開挖圍巖的應力集中區域。等值線圖是三維數據的二維表示。前兩個維度是X和Y坐標，第三維(Z)是由X,Y對應的值來表示的。等值線的相對間距表示數據表面之間的相對坡度。等值線圖可以由數據、圖像或網格文件創建，它也可以與任何其它地圖層進行疊加。
地圖向導可以創建12種類型的地圖，在此選擇等值圖(Contour)。對于XY不規則的間距，Surfer需要進行插值以便形成光滑的表面，理論上來說，間距越小表面越光滑，計算結果相對來說越精確。有13種插值方法可供選擇，根據以前的使用經驗，對于一般的土木工程地形，不同的插值方法對結果(開挖與回填體積計算)的影響并不大，最常使用的插值方法是Kriging法。當生成等值線圖后，可以改變圖形的各種顯示屬性。
3 地圖工具
使用地圖工具(Map Tools)可以對上述創建的等值線圖進行修改，其中一個工具是設置限制(Set Limits), 即前言中提到的局部區域顯示，我們可以通過設置新的范圍來顯示感興趣的部分(X 3000,Y 7000)。3D View 工具能夠顯示出數據的3D模型。另一個非常有用的功能是Profile，即畫斷面(Cross Section)。
4 結束語
在土木工程特別是工業場地設計過程中, 需要計算場地的開挖和回填量。傳統的計算方法根據地形圖在AutoCAD中取典型剖面, 然后粗略計算剖面之間土的體積。對于地形不太復雜的場地來說, 這個計算過程不是很復雜, 但對于地形起伏較大的場地來說, 需要切割許多剖面, 計算量非常大, 而且很顯然計算結果不準確。
展開 論如何選擇一個好的抽水蓄能電站？
，確定隧洞圍巖開挖方法、支護和襯砌型式、范圍和深度等。
物理模擬技術---基底摩擦模型的歷史回顧(Base Friction Model)
3.2 地下開挖
Goricki (1999)進行了大量的基底摩擦模型試驗，用來研究連續和平行節理對地下開挖的影響。下圖所示的是在水平節理巖體中開挖的破壞順序，破壞開始于頂部，然后向上逐層傳播，直至達到一個具有足夠強度特性的層為止。
在水平節理化巖體中開挖的基底摩擦模型
下圖所示的是相應的數值模型，節理傾角為0與節理傾角為30°開挖圍巖破壞的情況。
lsdyna隧道爆炸事故分析
隧道采用鉆爆法施工，其中Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖法施工，Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法施工。
2 事故經過
事故發生前1#斜井工區右線僅剩一個開挖循環即到達預定里程，剩余部分由其他工區施工。
2012年12月25日上午11時30分左右，因2號炸藥庫房庫存剩余的火工品還有14000 m導爆索，4000 m導爆管、部分毫秒雷管和炸藥要全部進行清理，作業一隊工作人員違規將14000 m導爆索、4000 m導爆管和其他爆炸物品運至洞內，并將導爆索運到隧道右線掌子面后方約35m處卸下。工作面除了領工員、班長、副班長外，其他人員已經撤離。隨后，由領工員和班長將導爆索搬運至開挖工作面附近擺放。
14時05分，發出了放哨警戒信號，14：40左右發生爆炸，造成隧道內8人死亡、5人受傷。
3 理論計算
3.1 爆源點確認
經勘查分析，28箱14000 m導爆索堆放處，即此次事故的爆源點。
3.2 爆炸物數量及其TNT當量
2012年12月25日當日在南呂梁山隧道1#斜井正洞右線進口DK301+174.6參與爆炸銷毀的爆炸物有：導爆索14000 m，導爆管4000 m，折合炸藥TNT當量232.6 kg。
展開 
ABAQUS雙洞連拱隧道穩定性分析
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</div><p>通過三維分段開挖的數值模擬，可以得到圍巖應力沿縱深方向的變化規律：在主洞開挖推進過程中，除上下圍巖有較大的應力釋放外，其掌子面亦有一定程度的應力釋放。隧道推進過程中,隧道前方和后方一定范圍內的圍巖應力狀態受開挖擾動影響而產生一定程度的應力集中。左右洞縱向開挖對拱頂部位圍巖的位移隨著工程的開挖呈現增大的趨勢，其最大值位于左右洞的頂拱部位。從三維數值模擬開挖順序的計算結果來看，三維數值模擬更真實地體現了實際工程交錯開挖對圍巖前后段的影響:當隧道開挖到某段時，在隧道縱深方向，之前開挖的30m處以外的圍巖應力和位移幾乎不受影響。</p><p>6. 電腦配置</p><p>CPU：i7-11700，RAM：16G，6核12線程并行計算耗時：6分25秒</p><p><br></p>
展開 技術鄰周報Q18：結構設計/Abauqs/氣固耦合/NVH/巖土/iSolver/超彈模型/CFD/動力總成...
5、兩條平行巷道開挖后圍巖應力和位移分布的數值模擬
作者：
計算巖土力學
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1830215
礦業交流群內一位工程師問了這么一個問題：在RMR分級為2類的圍巖中，開挖兩條平行巷道，巷道斷面尺寸為4m*4m, 巷道之間的距離為4m, 問放炮會不會把兩條巷道穿透？群內工程師們進行了熱烈的討論，從理論和實踐的角度提出了許多觀點。這個筆記簡要從兩條巷道之間圍巖的應力和變形討論了設置的安全距離。
6、卡車氫系統的框架結構有限元分析及優化
作者：吳先鋒
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1830397
氫燃料系統是中型卡車的動力總成，固定于車架上。目前國內對于一般車型的設計及強度校核，還是依靠經典的材料力學、彈性力學、結構力學的經驗公式。傳統的分析設計方法，具有一定的局限性，使得動力總成的更新換代的速度較慢。因此設計中不可避免地造成動力總成各部分強度分配不合理現象，使得整個設計成本較高，達不到優化設計的目的。隨著有限元技術的推廣及計算機軟硬件的發展，汽車行業已將CAE技術用于汽車整體設計與研究，為設計人員提供了可靠的計算工具。
7、非線性有限元分析之超彈模型neo-Hookean
作者：
天佑有限元
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1830432
在結構有限元分析中，常會遇到如橡膠、生物組織等非金屬材料。由于這些材料的力學性能和金屬材料的力學性能有著巨大區別，如大彈性變形，不可壓縮性，粘彈性等等。
展開 隧道病害是設計“罪過”還是施工的“罪過”？看大院怎么說！
（7）隧道內污水排放與圍巖滲水排放分離。污水排放不應對環境、生活用水造成影響。洞口外宜設置油水分離池。對開口式明溝開口尺寸一般比較小，運營階段容易造成運營垃圾堵塞，不利于邊水溝的排水，應適當加大開口尺寸，并上下一致，設置排水溝檢查井。
（8）隧道內裝飾時邊墻、拱部均不做裝飾；邊墻瓷磚或涂料，拱部不作裝飾；邊墻瓷磚+拱部外墻涂料裝飾；洞內拱墻噴涂防水涂料，洞口段邊墻鑲貼瓷磚。采用涂料有厚型防火涂料（因國標中要求防火涂料厚度不小于2cm），也有采用防水涂料。
（9）設計變更：前期設計階段很難把隧道穿越地層的地質情況搞清楚，因此在施工期間進行設計變更是不可避免的。在設計變更過程中應注意以下問題：
①隧道設計變更應避免走入“圍巖級別只能往差的調，工程量、工程費用只增不減”的怪圈，應是“有增有減”。
②業主、設計、監理、監控量測、地質預報及施工單位的隧道與地質專業技術人員應經常到施工現場，真正做到信息化施工。
③不能以“注重安全”為借口，把施工安全寄托于“增強支護，弱化施工工藝與施工工序控制”的基礎上，以過強的支護來彌補可能出現的安全問題，從而導致工程費用的增加。
④圍巖級別應與開挖進尺、開挖方式相匹配，即看采用的施工步序與開挖斷面大小是否與將變的圍巖級別經驗數值對應，如一次開挖3m 多、沒有留核心土的斷面調整為V 級是不合適的。
⑤應避免變更前把問題夸大化，變更后施工簡單化。
⑥按變更程序進行變更，不能因工程變更手續導致災害擴大化。
二、隧道施工存在問題及對策
（1）對于硬巖，主要是減少開挖對圍巖的擾動范圍，保護圍巖，控制對圍巖的損傷。對于軟弱圍巖施工應遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、速封閉、勤量測”的原則，主要是控制圍巖的松馳，提高圍巖自支護能力。
（2）目前設計要求多采用濕噴，但現場施工多采用干噴。
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