一种基于有限元的隧道台阶法施工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元的隧道台阶法施工方法，涉及一种隧道开挖方法，包括以下步骤：建立数值仿真模型，数值模拟计算，现场安装。本发明专利技术通过有限元创建台阶法分段开挖的各段可视化模型，分析每步台阶开挖时本段受力状态和其它各段的受力状态，进行稳定性评价，并结合实际监控数据，实时调整下一步骤支护参数，避免开挖过程中多次土体扰动造成的支护参数与实际不符合。此方法可以大大提升隧道台阶法开挖过程的安全性，降低工程成本，缩短工期，取得较好的社会效益和经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元的隧道台阶法施工方法
本专利技术涉及一种隧道开挖方法，尤其是涉及一种基于有限元的隧道台阶法施工方法。
技术介绍
随着我国公路工程的快速发展，穿山隧道越来越多。隧道施工方法包括全断面开挖法、台阶法、环形开挖留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法等。其中台阶法有足够的工作空间和相当的施工速度，隧道台阶法施工是一个信息化动态调整的过程，施工方案动态优化主要为开挖进尺和支护参数的优化，优化的目标是在安全的基础上，尽量提高施工效率，降低成本，本质上这涉及到隧道施工力学分析和优化问题，但是对于多台阶增加了开挖次数，从而增加了围岩的扰动次数，其安全风险有一定增加。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于有限元的隧道台阶法施工方法。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于有限元的隧道台阶法施工方法，包括如下步骤：(1)建立数值仿真模型首先基于有限元创建台阶法分段开挖的各段可视化模型,通过设置不同开挖步模拟洞室的开挖阶段，并对各步在不同荷载释放率下进行，加设锚喷支护或衬砌结构模拟支护施作时机的影响，由此达到模拟洞室开挖与支护施工过程之目的；(2)数值模拟计算根据隧道断面尺寸，确定横向计算范围、竖向计算范围、边界条件，分析每步台阶开挖时本段受力状态和其它各段的受力状态，进行稳定性评价，并根据受力状态和稳定性评价实施超前支护；(3)现场安装首先布置监控测量点，把数据实时传输至有限元分析系统，根据每步开挖时实际监测数据动态修正相关支护参数，然后隧道上部弧形导坑开挖，初期支护，再开挖上台阶预留核心土，依次左右错开开挖第二步、第三步等台阶并进行初期支护，最后分段开挖隧道底部，初期支护；施作仰拱并填充。优选的，步骤(1)进一步包括：所述有限元创建台阶法是通过对隧道单元进行网格划分，离结构近处网格密，离结构远处网格稀，经离散优化后生成有限元网格，确定单元数和节点数。优选的，步骤(2)进一步包括：所述边界条件的顶部加竖向压力，底部加水平和竖向约束,左右两侧加水平约束。优选的，步骤(1)进一步包括：所述可视化模型在建立过程中，对梁单元、锚杆单元先设为死单元，在进行开挖和支护时，再根据实际的施工步骤对梁单元和锚杆单元进行激活。优选的，所述初期支护时，需要进行临时支撑，所述临时支撑要支护在主洞的上、下台阶开挖部位，且临时支撑采用18号工字钢制作而成。优选的，所述超前支护采用超前小导管进行施做。本专利技术的有益效果是：通过有限元创建台阶法分段开挖的各段可视化模型，分析每步台阶开挖时本段受力状态和其它各段的受力状态，进行稳定性评价，并结合实际监控数据，实时调整下一步骤支护参数，避免开挖过程中多次土体扰动造成的支护参数与实际不符合。此方法可以大大提升隧道台阶法开挖过程的安全性，降低工程成本，缩短工期，取得较好的社会效益和经济效益。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本专利技术提供的一种实施例：一种基于有限元的隧道台阶法施工方法，包括如下步骤：(1)建立数值仿真模型首先基于有限元创建台阶法分段开挖的各段可视化模型,通过设置不同开挖步模拟洞室的开挖阶段，并对各步在不同荷载释放率下进行，加设锚喷支护或衬砌结构模拟支护施作时机的影响，由此达到模拟洞室开挖与支护施工过程之目的；(2)数值模拟计算根据隧道断面尺寸，确定横向计算范围、竖向计算范围、边界条件，分析每步台阶开挖时本段受力状态和其它各段的受力状态，进行稳定性评价，并根据受力状态和稳定性评价实施超前支护；(3)现场安装首先布置监控测量点，把数据实时传输至有限元分析系统，根据每步开挖时实际监测数据动态修正相关支护参数，然后隧道上部弧形导坑开挖，初期支护，再开挖上台阶预留核心土，依次左右错开开挖第二步、第三步等台阶并进行初期支护，最后分段开挖隧道底部，初期支护；施作仰拱并填充。其中：步骤(1)进一步包括：所述有限元创建台阶法是通过对隧道单元进行网格划分，离结构近处网格密，离结构远处网格稀，经离散优化后生成有限元网格，确定单元数和节点数；步骤(2)进一步包括：所述边界条件的顶部加竖向压力，底部加水平和竖向约束,左右两侧加水平约束；步骤(1)进一步包括：所述可视化模型在建立过程中，对梁单元、锚杆单元先设为死单元，在进行开挖和支护时，再根据实际的施工步骤对梁单元和锚杆单元进行激活；所述初期支护时，需要进行临时支撑，所述临时支撑要支护在主洞的上、下台阶开挖部位，且临时支撑采用18号工字钢制作而成；所述超前支护采用超前小导管进行施做。本专利技术通过有限元创建台阶法分段开挖的各段可视化模型，分析每步台阶开挖时本段受力状态和其它各段的受力状态，进行稳定性评价，并结合实际监控数据，实时调整下一步骤支护参数，避免开挖过程中多次土体扰动造成的支护参数与实际不符合。此方法可以大大提升隧道台阶法开挖过程的安全性，降低工程成本，缩短工期，取得较好的社会效益和经济效益。显然本专利技术具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本专利技术的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本专利技术的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有限元的隧道台阶法施工方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)建立数值仿真模型/n首先基于有限元创建台阶法分段开挖的各段可视化模型,通过设置不同开挖步模拟洞室的开挖阶段，并对各步在不同荷载释放率下进行，加设锚喷支护或衬砌结构模拟支护施作时机的影响，由此达到模拟洞室开挖与支护施工过程之目的；/n(2)数值模拟计算/n根据隧道断面尺寸，确定横向计算范围、竖向计算范围、边界条件，分析每步台阶开挖时本段受力状态和其它各段的受力状态，进行稳定性评价，并根据受力状态和稳定性评价实施超前支护；/n(3)现场安装/n首先布置监控测量点，把数据实时传输至有限元分析系统，根据每步开挖时实际监测数据动态修正相关支护参数，然后隧道上部弧形导坑开挖，初期支护，再开挖上台阶预留核心土，依次左右错开开挖第二步、第三步等台阶并进行初期支护，最后分段开挖隧道底部，初期支护；施作仰拱并填充。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的隧道台阶法施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立数值仿真模型
首先基于有限元创建台阶法分段开挖的各段可视化模型,通过设置不同开挖步模拟洞室的开挖阶段，并对各步在不同荷载释放率下进行，加设锚喷支护或衬砌结构模拟支护施作时机的影响，由此达到模拟洞室开挖与支护施工过程之目的；
(2)数值模拟计算
根据隧道断面尺寸，确定横向计算范围、竖向计算范围、边界条件，分析每步台阶开挖时本段受力状态和其它各段的受力状态，进行稳定性评价，并根据受力状态和稳定性评价实施超前支护；
(3)现场安装
首先布置监控测量点，把数据实时传输至有限元分析系统，根据每步开挖时实际监测数据动态修正相关支护参数，然后隧道上部弧形导坑开挖，初期支护，再开挖上台阶预留核心土，依次左右错开开挖第二步、第三步等台阶并进行初期支护，最后分段开挖隧道底部，初期支护；施作仰拱并填充。


2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的隧道台阶法施工方法，其特征在于：步骤(1)进一步包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：路希鑫，钱浩，王申杰，刘文峰，孙亚辉，刘子祥，刘志强，刘奇奇，
申请(专利权)人：中国十七冶集团有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34