TBM在隧道不同围岩条件下的有限元数值模拟分析

《TBM在隧道不同围岩条件下的有限元数值模拟分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、公路隧道2011年第2期(总第74期)TBM在隧道不同围岩条件下的有限元数值模拟分析姜安曦(四川教育学院土木与交通工程学院成都611130)摘要利用ANSYS有限元分析软件，对用TBM法施工隧道的过程进行数值模拟分析。结合隧道的工程地质情况，通过分析其应力应变的状态，提出了ANASYS模拟TBM在不同围岩条件下开挖隧道时用岩应力变化的可行性，得f=}j了TBM隧道在不同同岩条件下的一些基本特征。关键词隧道TBM数值模拟有限元激活单元来模拟材料的消去和添加。利用ANSYS1引言这种单元的生死功能，可以简单有效地模拟隧道的随着社会的

2、不断进步和科技的高速发展，隧道开挖过程。杀死单元时，程序将通过用一个非常小的施工方法也在不断的进步，隧道掘进机(Tunnel的数乘以单元的刚度，并从总质量矩阵消去单元的BoringMachine，后简称“TBM”)开始广泛用于长隧质量来实现“杀死”单元。无活性的载荷(压力、热通道施T。通过利用ANSYS有限元分析软件，数值量、热应变等)被设置为零。隧道开挖时，可直接选模拟TBM在不同地质情况隧道施工中的运用情况择将被开挖的单元，然后将其杀死，即可实现开挖模及应力应变规律，着重考虑隧道在不同围岩条件下拟。的受力状态，总结出不同地质

3、情况与嗣岩稳定性的ANSYS单元生死功能在杀死或激活单元时，相互关系。对单元的内在属性，如应力、位移等，作了有效的处理，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中2rrBM隧道施工过程模拟的ANSYS删除，而是将其刚度(或传导，或其他分析特性)矩阵实现乘以一个很小的因子。因子缺省值为1．0E6，可以赋为其他数值。死单元的单元载荷将为0，从而2．1初始应力考虑不对载荷向量生效(但仍然在单元载荷的列表中在ANSYS中有两种方法可以用来模拟隧道的现)。单元的应变在“杀死”的同时也将设为0。【大]初始应力。此使用单元的生死功能来模拟隧

4、道的开挖和支护，一是只考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力，比单纯使用“空单元”模拟开挖和改变材料号来模拟在分析的第1步，首先计算岩体的白重应力场。这支护更为准确，结果更为可靠。种方法的不足之处在于计算出的应力场与实际应力此外，单元的生死状态可以根据ANSYS的场有偏差，而且岩体在自重作用下还产生了初始位算结果(如应力，应变)来决定．在模拟过程中，可以移；在继续分析后续施工时，得到的位移结果是累加将超过容许应力或容许应变的单元杀死，来模拟同了初始位移结果，而现实中初始位移早就结束了，对岩或结构破坏。隧道的开挖没有影响，因此在后的每

5、个施工阶段分2．3连续施工的实现析位移场时，需要减去初始位移场。ANSYS程序中的载荷步功能可以实现不同T二是在结构分析时，ANSYS中可以使用输入况之间的连续计算，可以有效地模拟隧道的连续施文件把初始应力指定成为一种载荷，因此当具有实T过程。首先建立整个有限元模型，包括将来要被测的初始地应力资料时，可将初始地应力写成初应杀死(挖去)和激活(支护)的部分，模拟过程无需重力载荷文件，然后读入作为载荷文件，就可以直接进新划分网格。在前一个施T完成后，可直接进行下行第一步的开挖计算，所得应力场和位移场就是开一道r序的施1二，即杀死新单

6、元、激活老单元，再求挖后的实际应力场和位移场，无需进行加减。解，重复步骤直至施丁结束。2．2开挖和支护的实现在ANSYS／Mechanical产品中，可以用杀死和·R·姜曦TBM在隧道不同围岩条件下的有限元数值模拟分析模型受力条件为：只受自身的重力作用。3数值模拟过程3．1模型建立某一用TBM法开挖隧道围岩直径为5m，埋深10m，计算模型横截面如图1，中心圈代表隧道模型，分析中不考虑土体的非线性。图2隧道有限元模型3．2参数选定由于我国隧道工程一般借用土石方工程的岩体分级方法，按岩体的挖掘难度将隧道围岩分为6级。本文在此基础上将

7、基本适用于TBM法的围岩分为图1隧道横截面示意图4级，其相关参数见表1，即可以根据表中参数来确采用Mesh200单元建立支护的线模型和土体定ANSYS程序中所需要的模型材料性能参数，主的面模型，然后将线模型拉伸为壳模型，将面模型拉要是围岩的变形模量E、泊松比和天然重度7。伸成体模型。在此模型中，只取50m长的隧道进行3．3模拟结果分析模拟计算，整个模型共分为5634个单元，6383个节模型建立完毕后，运用ANSYS分别对不同的点(图2)。围岩条件进行模拟计算，其初始地应力计算结果见模型边界条件为：模型两侧面X方向约束；模型图3。

8、地面Y方向约束；围岩前后Z方向约束；模型上表面为自由边界。表1用TBM法的隧道围岩分级及相关参数(a)I类岩体(b)Ⅱ类岩体·9·公路隧道20l1年第2期(总第74期)(a)I]I类岩体(b)IV类岩体图3用TBM法隧道在不同岩体中的初始地应力图从上图中可以看出