基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法，通过ABAQUS‑CAE软件建立山岭隧道三维模型，将山岭隧道初始参数隧道断面形式及尺寸x、围岩的等级y、衬砌的类型z输入到有限元模型中，然后通过划分网格进行有限元计算获得隧道拱顶、侧墙、仰拱等部位的位移、应力，通过自动软件自动绘制应力‑时间曲线、位移‑时间曲线，该曲线能够直观的反映隧道洞室内壁各处的应力、位移的变化情况，如果出现异常数据就能准确的找到对应现场中风险源，做出风险预警，采取积极的补救措施。

【技术实现步骤摘要】
基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法
本专利技术涉及隧道工程风险评估方法，具体涉及一种基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法。技术背景随着社会经济的不断发展，对交通运输的要求也越来越大，山岭隧道的修建也越来越多，如何控制山岭隧道的施工风险是现在急需解决的问题。山岭隧道在施工过程中，会遇到不同等级的围岩、突泥突水，甚至岩爆等各种风险，因此，准确的评估山岭隧道的风险需要对其施工的全过程进行综合分析。经过对现有技术文献检索发现，中国专利申请号2015100547770，专利技术名称：岩溶隧道突水突泥全过程渐进式风险动态评估方法，公开了一种岩溶隧道突水突泥全过程渐进式风险动态评估方法，包括以下步骤：(1)在隧道勘察阶段，获取隧址及其附近围岩的水文地质信息，即隧道发生突涌水的孕育环境，了解隧道各段所处地质条件的风险状态；(2)根据专家评分向量与因素权向量计算出风险分级值并进行一致性检验；(3)将致险因子引入风险评估的影响因素中，综合考虑孕险环境和致险因子，进行突涌水风险评价，划分隧道突涌水风险的区段分布特征；(4)将各指标的取值结合现场实际施工情况进行实时更正，以实现突水涌泥风险的动态评估。可见，目前山岭隧道风险评估方法主要是对某个局部进行风险预测，而且是通过专家评分这一方法实现，因此很难对整体的隧道施工形成一个精确有效的风险评估。现有的岩溶隧道突水突泥全过程渐进式风险动态评估方法只能针对突水突泥这种专项内容形成风险评估，而山岭隧道中可能出现的风险复杂多样，该方法并没有对整体的隧道施工形成一个有效的风险评估，无法满足山岭隧道风险评估的整体要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于弥补现有山岭隧道施工风险评估的不足，提供一种基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法，能够直观的反映隧道洞室内壁各处的应力、位移的变化情况，对于出现的异常数据，可以准确的找到对应现场的风险源，作出风险预警，采取积极的补救措施。本专利技术采取的技术方案是：基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法，包括以下步骤：步骤一：借助CAE有限元软件，建立山岭隧道有限元模型，具体通过ABAQUS-CAE软件建立山岭隧道三维模型，其中，模型中包括的初始参数为：能够进行直接编辑的隧道断面形式及尺寸，通过改变材料特性进行编辑的围岩等级和衬砌类型；步骤二：利用网格划分有限元法对隧道受力变形特性进行计算，获得隧道拱顶、侧墙、仰拱部位的位移、应力；步骤三：通过有限元模型计算监测点布置处的应力和位移数据，并将这些数据与现场监测数据进行对比分析，得到模型计算的数据和监测数据之间的关系，进而推算出隧道洞室内壁没有设置监测点位置处的应力应变情况；步骤四：将软件模拟所得的应力、应变数据，通过数学关系转换得到新的数据库f(x1)，结合山岭隧道的自然地理概况数据f(x2)、地质情况数据f(x3)、环境条件数据f(x4)，形成一个总数据库，再以风险等级函数F(x)＝span{f(x1),f(x2),f(x3),f(x4)}为基础，采用FineBI软件对总数据库的数据进行关联性分析，得到应力-时间曲线和位移-时间曲线，根据最终获得的风险等级做出监测预警。重复步骤二到步骤四，完成山岭隧道施工全过程的隧道风险评估，达到控制隧道风险的目的。本专利技术的有益效果：本专利技术通过有限元建模，可以反映山岭隧道的三维特征，并与实际监测数据进行对比分析后，可以完整记录并形象显示隧道施工的所有信息，并可以自动生成每日动态风险评估表，便于施工人员或技术人员操作，省却了隧道工程复杂施工信息的记录工作；利用网格划分有限元分析技术、动态风险评估以及多监测项相关性评估的风险评估方法，再结合CAE软件生成布置有监测点处应力-时间曲线、位移-时间曲线，通过曲线能够直观的反映隧道洞室内壁各处的应力、位移的变化情况，克服了传统风险评估方法模糊评判的缺点，将所有大数据进行关联性分析，全面判断工程进展过程中存在的一系列风险源，并提出针对性策略，智能化程度非常高；该方法还可以根据实际情况，实时修改计算方法，从而不断完善风险评估的准确性，还更具全面性和及时性。附图说明图1为隧道监测点布置断面图；图2为隧道监测点布置俯视图；图3为三维模型图；图4为应力-时间曲线图；图5为位移-时间曲线图；图1和图2中，A(a)：测量仰拱拱底的竖向位移和应力，B(b)：测量仰拱拱脚的水平位移和应力，C(c)：测量侧墙的水平位移和应力，D(d)：测量仰拱拱边的竖向位移和应力，E(e)：测量仰拱拱顶的竖向位移和应力；图4中，路径选的是从隧道底面中点到顶面中点，其中S11表示X方向的正应力，S22表示Y方向的正应力，S33表示Z方向的正应力，S12表示XY平面(隧道洞内壁)的切应力；图5中，U1表示X(水平)方向位移，U2表示Y(竖直)方向位移。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。实施例一种基于有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法，主要包括以下步骤：步骤一：借助CAE有限元软件，建立山岭隧道的有限元模型，可以反映其三维特征，并绘制出三维模型图(如图3所示)，其中，模型中包括的初始参数为：隧道断面形式及尺寸x、围岩等级y、衬砌类型z；能够对x进行直接编辑，而y和z需要通过改变材料特性进行编辑；建模完成后，通过输入上述各初始参数，即可模拟隧道施工过程中的受力变化情况；步骤二：利用网格划分有限元法对隧道受力变形特性进行计算，获得隧道拱顶、侧墙、仰拱等部位的位移、应力；在隧道施工阶段，软件中的步数表示不同的施工工况，当工程进行到某一阶段，对应到相应的步数，即可获得不同施工阶段的隧道受力和位移云图，同时也可获得隧道周围岩体的受力和位移数值，并随工程的进展即时更新；步骤三：如图1和图2所示，通过有限元模型计算监测点布置处的应力和位移数据，并将这些数据与现场监测数据进行对比分析，得到模型计算的数据和监测数据之间的关系，进而推算出隧道洞室内壁没有设置监测点位置处的应力应变情况，在减少了监测点的布置的同时也能对洞室内壁的受力、变形情况了解的更加全面；以取拱顶处监测点为例，假如通过监测点测得的数据组为a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7，而通过软件计算相应监测点位置处所得数据组为b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7，两组数据之间存在倍数关系，依照此关系就能得知现场隧道洞室内壁其他没设置监测点部位的应力和位移值；步骤四：将软件模拟所得的应力、应变数据，通过数学关系转换得到新的数据库f(x1)，结合山岭隧道的自然地理概况数据f(x2)、地质情况数据f(x3)、环境条件数据f(x4)，形成一个总数据库，再以风险等级函数F(x)＝span{f(x1),f(x2),f(x3),f(x4)}为基础，采用FineBI软件对总数据库的数据进行关联性分析，根据最终获得的风险等级做出相应的监测预警。通过选取隧道洞室内壁的某条路径进行应力-时间、位移-时间曲线的绘制(如图4和图5所示)，分析曲线的基本走势以及曲线的特征数据可以预测内壁哪些部位比较薄弱，如果应力突然急剧增加，说明该部位极可能出现岩爆或者突泥突水等灾害，根据应力的变化幅度大小做出相应的风险预警和处置措施。所述风险等级分为蓝、黄、橙、红四个等级，根据不同的等级发出相应的监测预警，其中蓝色本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：借助CAE有限元软件，建立山岭隧道有限元模型，具体通过ABAQUS‑CAE软件建立山岭隧道三维模型，其中，模型中包括的初始参数为：能够进行直接编辑的隧道断面形式及尺寸，通过改变材料特性进行编辑的围岩等级和衬砌类型；步骤二：利用网格划分有限元法对隧道受力变形特性进行计算，获得隧道拱顶、侧墙、仰拱部位的位移、应力；步骤三：通过有限元模型计算监测点布置处的应力和位移数据，并将这些数据与现场监测数据进行对比分析，得到模型计算的数据和监测数据之间的关系，进而推算出隧道洞室内壁没有设置监测点位置处的应力应变情况；步骤四：将软件模拟所得的应力、应变数据，通过数学关系转换得到新的数据库f(x1)，结合山岭隧道的自然地理概况数据f(x2)、地质情况数据f(x3)、环境条件数据f(x4)，形成一个总数据库，再以风险等级函数F(x)＝span{f(x1),f(x2),f(x3),f(x4)}为基础，采用FineBI软件对总数据库的数据进行关联性分析，得到应力‑时间曲线和位移‑时间曲线，根据最终获得的风险等级做出监测预警。

【技术特征摘要】
1.基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：借助CAE有限元软件，建立山岭隧道有限元模型，具体通过ABAQUS-CAE软件建立山岭隧道三维模型，其中，模型中包括的初始参数为：能够进行直接编辑的隧道断面形式及尺寸，通过改变材料特性进行编辑的围岩等级和衬砌类型；步骤二：利用网格划分有限元法对隧道受力变形特性进行计算，获得隧道拱顶、侧墙、仰拱部位的位移、应力；步骤三：通过有限元模型计算监测点布置处的应力和位移数据，并将这些数据与现场监测数据进行对比分析，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴波，兰扬斌，何山，石雷，李春芳，周鹏，邓昭骊，李政逊，吴冬，蒙国往，李静，
申请(专利权)人：广西大学，中交第一公路工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：广西,45