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基于ANSYS的韩坡岭隧道开挖数值模拟分析 　　摘 要：本文基于ANYSYS软件对桃巴（四川省桃园至巴中）高速韩坡岭隧道进行了三维数值模拟，主要从隧道净空位移、衬砌应力等方面分析，提出针对隧道现场施工的优化建议，为以后隧道施工提供一定的参考。 　　关键词：隧道开挖；数值模拟；ANSYS 　　 　　中图分类号：TU94+1文献标识码： A 文章编号： 　　一、工程概况 　　韩坡岭隧道位于桃巴（四川省桃园至巴中）高速LJ16合同段，隧道左线（ZK130+140～ZK131+140）长1000m，隧道右线（YK130+149～YK131+160）长1011m，最大埋深为115m。隧址区处于川北褶皱带南阳场背斜南翼，构造简单，未见断层褶曲，为单斜构造。岩石中主要发育J1、J2两组节理，并组成X节理。在节理面及岩层层面的组合切割下，岩体多呈块碎状镶嵌结构或大块状砌体结构，完整性中等～较好。隧道穿越的地层岩性主要为侏罗系蓬莱镇组砂泥岩。隧道轴线与岩层走向呈角度斜交。 　　二、三维数值模拟分析 　　因为隧道结构和岩土介质具有高度非线性，所以地下工程开挖问题具有非线性。隧道开挖施工是复杂的三维时空问题，开挖面附近岩体的应力和变形，一部分是由于开挖面向前推移荷载释放引起的，另一部分是由于围岩粘塑性变形随时间增长而产生蠕变引起的。由于隧道开挖过程中，周围土体受到较大扰动，采用弹性有限元法模拟计算所得的位移值偏小，因此通常要将岩体视为弹塑性介质和粘弹塑性介质进行非线性分析。 　　1、参数选取 　　韩坡岭隧道中IV级围岩段所占比例为91%左右，因此取IV级围岩段进行隧道开挖模拟分析。围岩采用弹塑性材料进行计算，屈服准则采用Drucker-Prager准则，其中IV级围岩及衬砌支护的物理力学参数指标详见表1。 　　表1物理力学参数 　　 　　 　　2、有限元模型 　　模型采用ANSYS三维实体单元进行模拟分析，围岩采用Solid-45单元模拟，初期支护采用Shell63单元模拟。本次有限元计算中，模型水平方向取距离隧道中心4倍洞跨，下方取洞高的2.5倍，上方取洞高的3.5倍，则模型尺寸选为100米（宽度）×62米（高度）×30米（厚度），如图1所示。将隧道沿开挖方向（Z方向）分为10个施工步，每步开挖长度为3米，取Z=-15米处断面为目标断面。计算时其边界约束条件为：地表为自由表面，不加约束，模型左右边界受X轴方向位移约束，模型下部边界受X、Y轴方向位移约束。 　　 　　 　　图1 计算模型 　　3、模型计算结果分析 　　（1）隧道净空位移 　　由于为全段面开挖模拟，本文主要从拱顶沉降和水平收敛方面分析隧道净空位移的变化。将计算结果中目标断面的拱顶沉降与水平收敛数据整理如图2、图3所示： 　　 　　 　　图2拱顶累计下沉 　　 　　 　　图3水平累计收敛 　　由图2、图3可以看出，隧道在全断面开挖至目标断面时有明显的拱顶沉降和水平收敛，并随着时间的推移而趋于稳定，拱顶累计下沉16.14mm,水平累计收敛0.5mm，满足规范[1]要求。 　　（2）衬砌应力 　　 　　 　　图4 衬砌等效应力 　　由图4可知，衬砌的最大应力值为压应力8.55MPa，出现在边墙墙角处。 　　（3）隧道围岩塑性区 　　 　　 　　图5围岩塑性区 　　隧道开挖后，由图5知隧道围岩塑性区很小，仅在仰拱处有一小部分，其他部分并不明显。 　　三、结论 　　（1）隧道的开挖会引起隧道拱顶沉降和水平收敛发生明显的变化，但随着时间变化，其逐渐趋于稳定。 　　（2）在隧道施工过程中，因受施工条件的制约，监控量测开始时往往已滞后于隧道洞室发生的位移。因此在施工过程中可将本模拟方法所得结果与现场监控量测数据进行比较分析，以更好的指导隧道施工。 　　（3）隧道初期支护承受的最大压应力出现在边墙墙角处，而此处又为容易发生应力集中的地方，所以施工过程中应注意保证边墙与仰拱连接处光滑平稳过度，保证结构安全。 　　参考文献： 　　[1]中华人民共和国交通部.JTGD70―2004公路隧道设计规范[S]． 　　[2]严涛，金学松，王维嘉.老鸭岭隧道IV级围岩开挖方法三维数值分析比选[J] .铁道建筑，2010，（08）：66-69. 　　[3]俞琳.软岩隧道开挖与支护数值分析[D].大连理工大学出版社.2005,6. 　　 　　作者简介：颜 斌（1988- ），男，山东聊城人，硕士研究生。 4