【讨论】盾构隧道开挖后隆起 & 谈《ABAQUS实例手册》之隧道开挖例题

jsnjcivil

一、盾构隧道开挖后隆起
我现在做的是三维盾构隧道施工过程的模拟，可是为什么在盾构通过之后，土体会产生回弹直至隆起现象呢？回弹应该是有的，而且估计量也不会很大，但是直至隆起就不对了。
有遇到过这种现象的朋友吗？？？

我的总模型太大，就上传了我做的一个小模型的inp（附件exc10-test13-0-istress.rar是地应力平衡文件；附件exc10-test13-1.rar是模型文件。）。
总模型不过是开挖方向多出了40个开挖步而已，小模型则只有10个开挖步。
在大模型中，隧道上方的地表不断反弹直至隆起。小模型因为取的步长较少，所以反映不出隆起的现象，但是直线回弹的现象是和大模型一致的。
按理说，回弹几个分析步之后应该就变形稳定了，但是我的模型却是直线回弹，一点没有停止的迹象。下图是我从小模型中选取的地面点及其位移曲线：

请大家帮我看看问题出在什么地方。谢谢了！！！

有时间和兴趣的朋友，再讨论一下《ABAQUS实例手册》中的隧道开挖例题吧。我觉得这个例题有好多值得推敲的地方，我把疑问都写在下面了，欢迎大家来探讨！！！

二、出现上述问题之后，我就一直在想解决办法。后来想到了ABAQUS自带的一个二维隧道开挖的例题。
在《ABAQUS Example Problems Manual》（就是ABAQUS实例手册）的 1.1.10 Stress-free element eactivation 中，给出了一个隧道开挖的例子。
例题中，分为4个分析步来模拟二维隧道开挖：
Step1 施加初始状态
Step2 释放隧道应力40%
Step3 生成无应力的衬砌
Step4 将隧道应力释放至0，施加面荷载（50kPa）
针对modelchangedemo_beam.inp，我有几点疑问：
疑问1、为什么要施加50kPa的面荷载呢？是基于什么因素考虑的？
听说基坑开挖模拟时，要考虑20kPa的地面超载（据我所知，基坑支护设计是要考虑20kPa的地面超载的）。但是，基坑开挖是竖向一层一层的往下开挖，而隧道则是水平向一段一段往前开挖的，需要考虑地面超载吗？？？
下图是不同面荷载情况下的地表位移曲线：

从图中可以看出：
应力全部释放后，如果不施加面荷载，则地表将产生很大的隆起；
当面荷载施加到10kPa时，隧道上方地表才产生沉降，隧道远处地表却产生了隆起；
当面荷载施加到20kPa时，地表全部产生沉降；
随着面荷载的进一步增大，地表产生的沉降也进一步增加。
有人可能要说，生成的衬砌是有重量的，可是，衬砌的密度虽大，但是体积却很小，最终算得的重量肯定没有开挖掉的土体的重量大，所以，在不施加面荷载的情况下，地表隆起是必然的。我觉得，这一点也可以用土体的先期固结压力来解释。
实际的工程中，土体在开挖前已经发生了固结，所以即使盾构通过并拼装管片完成注浆后，隧道底部的回弹也是有限的，基本不可能会产生隆起的现象，除非是注浆压力太大。
所以我认为，例题中施加了50kPa的面荷载，主要是为了产生与现实情况比较符合的地表沉降，而采取的一种非正常手段而已。
记得以前看帖子的时候，有网友说他的土体也出现了隆起现象，后来就有人建议他施加力把隆起压回去。
这种现象可能也是有限元和实际情况的差距吧？？？
有时候觉得有限元就是骗人的把戏。里面的参数甚至调到现实情况的10倍，才会出现比较满意的效果。
记得有朋友说，要是研究生的论文不准用有限元，那么将有一大批研究生是毕不了业的，想想还真有道理的。
疑问2、隧道开挖应力释放有什么具体的理论依据吗？
疑问3、二维隧道实现一次开挖需要3个分析步吗？三维的呢？
对此我对原例题进行了修改，考虑了两种方案：
方案A、将原例题的Step2~4合并为一个Step，即Step234，就是用1个Step模拟隧道施工过程（土体开挖和衬砌的生成并参与作用），此时没有考虑应力释放；
方案B、将原例题的Step3~4合并为一个Step，即Step34，就是用2个Step模拟隧道施工过程（Step2 释放隧道应力40%；Step34 生成无应力的衬砌，将隧道应力释放至0，施加面荷载）。
下图是三种方案的地表位移曲线：

从图中可以看出：
一次一步（分析步）开挖（即方案A），引起的地表位移相比三步开挖要小一些：
一次两步（分析步）开挖（即方案B），引起的地表位移和三步开挖的相一致。
疑问4、方案A没有考虑应力释放，估计衬砌是承担了100%的隧道应力，按理说，承担的力越大，产生的变形也应该越大，反映到地表应该是产生的位移比原方案要大的啊？怎么规律却相反呢？
疑问5、原方案的初衷可能是要衬砌承担60%的隧道应力，可我修改后的方案B应该也是让衬砌承担这么大的隧道应力啊？怎么方案B引起的地表位移要比原方案的要大呢？
疑问6、按理说，释放一定的隧道应力后，隧道上方的地表应该产生沉降才对，可是为什么原方案释放40%的隧道应力后，地表却产生隆起了呢？

jsnjcivil

难道就没有做过隧道施工模拟的朋友吗？？？
分享一下自己的经验吧？？？

jsnjcivil

疑问4、方案A没有考虑应力释放，估计衬砌是承担了100%的隧道应力，按理说，承担的力越大，产生的变形也应该越大，反映到地表应该是产生的位移比原方案要大的啊？怎么规律却相反呢？
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忽然又觉得方案A产生的地表位移是应该比原方案要小的。
因为，隧道应力释放的越多，产生的沉降越大。
而且，方案A中衬砌并不是承担了100%的隧道应力，而是和周围土体相互作用，达到了自平衡。

goldlu

有inp文件吗？
传上来看看

hefupu

传个inp吧，这样容易看出问题

jsnjcivil

还是先谈谈《ABAQUS实例手册》之隧道开挖例题吧，它的inp文件在ABAQUS的帮助文档里就有。
后来我将例题中的应力释放率进行了改动，考虑了释放率从0变化至100%的情况。
下图是不同应力释放率下的Step2、Step3分析步（两者的曲线重合）的地表位移曲线：

从图中可以看出，应力释放率为0的情况下，地表几乎无位移；
随着应力释放率的增大，地表位移不沉反隆，这与实际施工是相反的。
实际施工中，应力释放的越多，隧道周围的土体位移越大，反映到地表产生的位移（沉降）应该也越大的。
疑问7（跟6实际是同一个问题）：随着应力释放率的增大，地表位移为什么会不沉反隆？？？
下图是不同应力释放率下的Step4分析步的地表位移曲线：

从图中可以看出，随着应力释放率的增大，最终的地表沉降越来越大，这个规律是对的。
疑问8：随着应力释放率的增大，最终的地表沉降越来越大，但是为什么变化却不大呢？？？

jsnjcivil

隧道底部的竖向反力（向下）大于顶部的竖向反力（向上），在地应力平衡的情况下，应力释放的越多（等比例释放），隧道底部产生的反弹越大，并且其大小大于隧道顶部产生的沉降，总的来说就是产生了地表隆起，这或许可以解释疑问7。
疑问9：在Step4中施加的面荷载却是一样的，Step2、3中最上面的曲线，在Step4中却在最下面，这又是什么原因呢？？？

jsnjcivil

没有人研究过《ABAQUS实例手册》中的隧道开挖例题吗？？？

jsnjcivil

开挖掉的土体重量=PI()/2*4*4*1*20=502.6548246（kN）
面荷载为50kpa时，压力=50*30*1=1500（kN）
面荷载为20kpa时，压力=20*30*1=600（kN）
也就是说，只有当施加的压力大于开挖掉土体的重力时，地表才会产生沉降。

jsnjcivil

麻烦大家看看，看完给个意见嘛。

yox

对abaqus还不了解，但还是说一下我对隧道开挖的理解，我认为用有限元模拟隧道开挖时，是有很多因素是很难考虑的，例如同步注浆，盾尾的空隙，没有考虑这些因素后，隧道隆起应该是很正常的，你上面也说过，衬砌相对于开挖出的土体来说其重量要小的多，对于大断面的隧道尤其如此，那么开挖就相当于卸载，下部土体必定会产生隆起，加上隧道刚度比土体大得多，所以大部分的隆起量在有限元中就反映到地面隆起了。如果想减少地面隆起量，除了施加地表荷载外，可以尝试考虑盾尾空隙。

jsnjcivil

到现在还没想明白：盾构通过之后，土体为什么会一直回弹，根本就没有稳定的迹象？？？

jsnjcivil

看来这个帖子是没有什么指望了！！！

chjchchjch

多谢了啊

jsnjcivil

多谢了啊
chjchchjch 发表于 2009-4-7 17:18

什么意思？？？

jsnjcivil

开挖掉的土体重量=PI()/2*4*4*1*20=502.6548246（kN）
面荷载为50kpa时，压力=50*30*1=1500（kN）
面荷载为20kpa时，压力=20*30*1=600（kN）
也就是说，只有当施加的压力大于开挖掉土体的重力时，地表才会产生沉降 ...
jsnjcivil 发表于 2009-3-31 10:00

这个例题有问题的，我后来自己做了一个二维的，发现使用应力释放法，最后不加面荷载也是可以产生沉降的，所以说，这个例题本身就没多大参考的价值，不过是为了说明软件的单元生死功能的。

zjwcq

楼主提出的这个问题在隧道开挖过程中是个有限元难题，这里就需要有个技巧在里面了！你可以看看孙钧院士《地下结构有限元法解析》205-206页，孙老爷子给出了比较可靠的解决办法，由于我还处于尝试阶段，至于能不能变隆起为沉降我现在还不能给你个肯定的答案，不过有什么问题我们可探讨！我的QQ274706802

yangxian

正在做个盾构隧道模拟，关注中。

wangweipeng

学习了！！！！！！！！！！！！！！！！

windyxie

关注ing，希望可以和楼主一起探讨，我的qq是75967562