本文選自省級(jí)期刊《科技咨詢(xún)》，《科技資訊》雜志由北京市科學(xué)技術(shù)研究院主管，北京國(guó)際科技服務(wù)中心主辦的科技期刊。本刊國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN1672-3791；國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN11-5042/N；郵發(fā)代號(hào)82-238,面向國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行。創(chuàng)刊年：2003年。

　　辦刊宗旨:聚焦中外高新技術(shù)前沿動(dòng)態(tài)，促進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展；科技資訊以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以高新科技資訊為依托，以平面交流為手段，努力促進(jìn)我國(guó)高新技術(shù)成果的商品化、產(chǎn)業(yè)化、國(guó)際化。科技資訊主要刊登新技術(shù)、新材料、新設(shè)備、新工藝等方面的科技文獻(xiàn)和最新資訊。

　　主要欄目:高新技術(shù)、工程技術(shù)、工業(yè)技術(shù)、建筑科學(xué)、IT技術(shù)、電子商務(wù)、科教平臺(tái)、資源與環(huán)境、學(xué)術(shù)論壇、圖書(shū)館論壇和科技動(dòng)態(tài)。

　　摘要：隨著隧道、地鐵的廣泛建設(shè)，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)隧道、地鐵施工過(guò)程準(zhǔn)確三維模擬和分析顯得十分重要。本文介紹了利用大型有限元軟件ANSYS軟件對(duì)隧道施工進(jìn)行三維仿真分析，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖與支護(hù)的仿真模擬，分析了隧道施工過(guò)程中巖體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)變化情況。

　　關(guān)鍵詞：隧道施工,位移場(chǎng),應(yīng)力場(chǎng),三維仿真

　　1.隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方法

　　隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力學(xué)計(jì)算是一項(xiàng)比較困難的課題。地層巖土介質(zhì)和隧道結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。只有那些具有規(guī)則幾何形狀和理想的材料特性，且載荷形式與邊界條件是簡(jiǎn)單的線彈性體系，才能得到較為精確的解答。但是，對(duì)于非線性巖土體內(nèi)的連續(xù)或不連續(xù)介質(zhì)和任何幾何外形的隧道結(jié)構(gòu)，其力學(xué)計(jì)算必須借助于近似的數(shù)值方法。

　　用于隧道開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程的數(shù)值分析方法有：有限元法、邊界元法、有限元-邊界元耦合法。

　　有限元法的優(yōu)點(diǎn)在于可以考慮巖土介質(zhì)的非均勻性、各項(xiàng)異性、非連續(xù)性和材料與幾何非線性等，且能適用于各種實(shí)際的邊界條件；缺點(diǎn)在于需要將整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散化，進(jìn)行相應(yīng)的差值計(jì)算，以至于數(shù)據(jù)量大，精度相對(duì)低。

　　邊界元的優(yōu)越性在于只在所關(guān)心問(wèn)題的邊界上，對(duì)于隧洞計(jì)算問(wèn)題，只需對(duì)分析對(duì)象的邊界做離散處理，而外圍的無(wú)限區(qū)域則視為無(wú)邊界。缺點(diǎn)在于要求分析區(qū)域的幾何、物理延續(xù)性。

　　有限元-邊界元耦合法使上述兩種方法互為補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)踐證明可以得到較好的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)主要關(guān)心的區(qū)域是隧洞附近，可用有限元法：對(duì)于外部區(qū)域可按均質(zhì)、線彈性模擬即可，這樣對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算可以得到很好的計(jì)算性。

　　2.隧道施工過(guò)程模擬的ANSYS實(shí)現(xiàn)原理

　　2.1初始地應(yīng)力的考慮

　　在ANSYS中有兩種方法可以用來(lái)模擬初始地應(yīng)力：

　　（1）只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其結(jié)構(gòu)應(yīng)力，在分析的第一步，首先計(jì)算巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)。這種方法的不足之處在于計(jì)算出的應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)有偏差，而且?guī)r體在自重作用下還產(chǎn)生了初始位移，在繼續(xù)分析后續(xù)施工時(shí)，得到的位移結(jié)果是累加的初始位移的結(jié)果，而現(xiàn)實(shí)中初始位移早就結(jié)束，對(duì)隧洞的開(kāi)挖沒(méi)有影響，因此在后面的每個(gè)施工階段分析位移場(chǎng)，需要減去初始位移場(chǎng)。

　　（2）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，ANSYS中可以使用輸入文件把初始應(yīng)力指定為一種載荷，因此當(dāng)具有實(shí)測(cè)的初始地應(yīng)力資料時(shí)，可將初始地應(yīng)力寫(xiě)成初應(yīng)力載荷文件，然后讀入做為載荷文件，就可以直接進(jìn)行第一步的開(kāi)挖計(jì)算，所得應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)就是開(kāi)挖后的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，無(wú)需進(jìn)行加減。

　　2.2開(kāi)挖與支護(hù)的實(shí)現(xiàn)

　　在ANSYS中可以采用單元生死技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的消除與添加，對(duì)于隧道的開(kāi)挖與支護(hù)，采用此項(xiàng)技術(shù)即可有效的實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程模擬。殺死單元時(shí)，ANSYS程序?qū)��?duì)死去的單元的剛度矩陣乘以一個(gè)非常小的數(shù)，并從總質(zhì)量矩陣消去單元的質(zhì)量來(lái)體現(xiàn)“單元的死”，同時(shí)無(wú)活性的載荷（壓力、熱應(yīng)變等）被設(shè)置為零。

　　隧道開(kāi)挖時(shí)，可直接選擇將被挖掉的單元，然后將其殺死以實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖的模擬。增加支護(hù)時(shí)，可首先將相應(yīng)支護(hù)部分在開(kāi)挖時(shí)被殺死的單元激活，單元被激活時(shí)具有零應(yīng)變狀態(tài)。

　　此外，單元的生死狀態(tài)可以根據(jù)ANSYS來(lái)計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力，應(yīng)變）來(lái)決定，在模擬過(guò)程，可以將超過(guò)許用應(yīng)力或許用應(yīng)變得單元?dú)⑺溃瑏?lái)模擬圍巖或結(jié)構(gòu)的破壞。

　　2.3連續(xù)施工的實(shí)現(xiàn)

　　ANSYS程序中的荷載功能可以實(shí)現(xiàn)不同工況間的連續(xù)計(jì)算，可以有效地模擬隧道的連續(xù)施工過(guò)程。首先建立整個(gè)有限元模型，包括將來(lái)要被殺死（挖去）和激活（支護(hù)）的部分，模擬過(guò)程無(wú)需重新劃分網(wǎng)格。在前一個(gè)施工完成后，可直接進(jìn)行下一道工序的施工，即殺死新單元、激活老單元，再求解，重復(fù)步驟直至施工結(jié)束。

　　3.隧道施工過(guò)程模擬實(shí)例

　　3.1仿真計(jì)算模型及參數(shù)

　　圖2-1所示的是某隧道圍巖計(jì)算模型的斷面示意圖，考慮圣維南原理，取周?chē)鷰r土的尺寸為隧道尺寸的5~6倍。由于隧道工程結(jié)構(gòu)屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面現(xiàn)對(duì)于縱向長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒(méi)有位移，只有橫向發(fā)生位移。

　　圖3.1-1斷面圖

　　材料性能：圍巖巖體彈性模量E=2.5e8，泊松比v=0.32，密度p=2200；錨桿加固巖體彈性模量E=3e8，泊松比v=0.3，密度p=2300，厚度h=2；襯砌單元彈性模量E=2.8e10，泊松比v=0.2，密度p=2600，厚度h=0.4。單位：m、N、s、kg、Pa

　　Ansys仿真分析中單元選取：SOLID45單元用于模擬圍巖巖體結(jié)構(gòu)和錨桿加固巖體結(jié)構(gòu)，SHELL63單元用于模擬襯砌結(jié)構(gòu)。三維模型如右圖2：

　　3.2仿真分析成果

　　仿真過(guò)程計(jì)算步驟如下：

　　第一步，初應(yīng)力場(chǎng)和初位移場(chǎng)計(jì)算；第二步，開(kāi)挖后支護(hù)前應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)計(jì)算；第三步，支護(hù)后應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)計(jì)算。

　　3.2.1應(yīng)力場(chǎng)變化情況

　　由等效應(yīng)力圖3、圖4、圖5知隧道開(kāi)挖前應(yīng)力為0.35MPa左右；開(kāi)挖后支護(hù)前洞身周?chē)�的�?yīng)力為0.69MPa左右，增幅為97%；支護(hù)后洞身周?chē)�的�?yīng)力為0.47MPa左右，減幅為22%；

　　3.2.2位移場(chǎng)變化情況

　　由等效位移圖6、圖7、圖8知隧道開(kāi)挖前地表位移為43.4mm左右；開(kāi)挖后支護(hù)前洞身周?chē)�的地表位移�?7.1mm左右，增幅為8.5%；支護(hù)后洞身周?chē)�的地表位移�?8.1mm左右，增幅為2.1%；

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　隧道開(kāi)挖是一個(gè)三維力學(xué)問(wèn)題,本文分析了隧道施工中巖體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)變化情況,利用通用有限元程序ANSYS軟件，綜合考慮了土體分層、土體與支護(hù)體系作用以及巖體自身的非線性行為,并結(jié)合劉陽(yáng)河隧道工程實(shí)際,對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真模擬。通過(guò)計(jì)算得到了施工過(guò)程中周?chē)�土體的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及地表土體的變形規(guī)律,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合良好,表明本文提出的三維有限元模擬隧道施工的方法是可行的。

　　通過(guò)上述數(shù)據(jù)知隧道開(kāi)挖后對(duì)巖體的擾動(dòng)大，巖體應(yīng)力釋放后仍有很大的殘余應(yīng)力，洞體周?chē)�的�?yīng)力比開(kāi)挖前增加了97%，支護(hù)后隧道周?chē)�土體的應(yīng)力比開(kāi)挖后減少22%，支護(hù)后巖體位移明顯減小并趨于穩(wěn)定。因此在施工過(guò)程中應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、勤支護(hù)、早封閉”的施工原則。

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