ansys有限元研究在隧道工程中应用

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1、ANSYS有限元研究在隧道工程中应用　　摘要：结合某公路隧道的现场实际施工情况，利用ANSYS有限元分析软件，对隧道开挖引起的地表沉降、围岩应力变化、塑性区变化等进行了计算分析，研究结果对于现场施工起到了一定的指导意义，并值得类似工程的借鉴。关键字：ANSYS软件；有限元分析；隧道工程中图分类号：U45文献标识码：A1.引言隧道工程处于地面以下，岩土的构成复杂，且难于直接观察，而有限元分析则可把数值结果形象化，把内部结构相互作用过程展示出来，有很大的实用价值。诸如隧道开挖过程中较为普遍的塌方冒顶现象，若根据地质勘察，了解场地断层、裂隙和节理的走向与密度，借助

2、于试验方法，可以确定岩石本身的力学性能及岩体夹层和界面的力学特性、强度条件。在此基础上，通过有限元分析可以确定开挖过程中硐室的应力分布、判断硐室是否稳定[4]。隧道开挖有限元计算的重点是评估隧道开挖引起的地面沉降，研究和评估整体和局部结构由此产生的反应，研究施工过程中隧道衬砌和岩土体的相互作用。2.工程背景及有限元模型的建立2.1隧道工程概况6某隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，建筑限界宽度为17.25m，净高5m。左右主线隧道均采用四车道，最大毛洞开挖跨度为19.9m，高度10.838m，项目场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘

3、陵区，地质复杂，施工难度大。隧道左洞全长319m；右洞全长315m。左洞拱顶埋深最大为18.182m，右洞拱顶埋深最大为8.732m，两隧道中心线间距31.37m。隧道左右隧道间距为小净距(最小11m左右)，为特大断面小净距隧道。图2.1隧道设计断面图图2.2魁岐隧道出洞口图2.2材料参数选择根据已有现场施工、勘察资料，近似将场地分为四类岩土层，最上一层为坡积亚粘土层，其下部分别为强风化花岗岩层、弱风化花岗岩层、微风化花岗岩层。各岩土层厚度及材料参数分别如表1示。表1各岩土层厚度及材料参数6隧道初期支护采用锚杆加喷射混凝土支护，锚杆加固围岩形成锚杆加固区，根

4、据经验，该区域内岩石材料参数较加固前提高20%，该分析中将相关参数提高20%用于分析计算。锚杆加固区及初期喷射混凝土、二衬混凝土、均采用面单元进行模拟，隧道分布开挖过程中的钢支架加喷射混凝土支护采用梁单元。相应支护材料材料参数见表2。围岩用摩尔库仑弹塑性本构材料模拟，衬砌材料用弹性材料模拟。表2隧道支护材料参数2.3模型的建立计算边界条件呈梯形状，计算宽度231m，梯形左边计算长度为137m，右边计算长度为13m。为了保证模型在计算过程中不出现整体移动，在梯形左右两侧边界施加水平向位约束移，在下边界施加竖向位移约束。在网格划分处理中，采用映射网格划分与自由网

5、格划分相结合的网格划分方法。相应数值计算几何模型见图2。图2.3数值模拟计算模型3.ANSYS计算结果分析计算采用大型有限元软件ANSYS对隧道断面开挖过程进行了动态模拟，利用ANSYS提供的生死单元来模拟开挖过程，计算隧道整体开挖完成后结构的位移、及应力变化。3.1沉降位移分析下面给出了隧道开挖全部完成后引起的水平向位移云图(图4)、竖向位移云图(图5)和第一、三主应力云图(图6、7)。图3.1水平向位移云图图3.2竖向位移云图6随着隧道的开挖修建，由图5可知：隧道左洞洞顶出现最大沉降位移量，大小为0.510mm。说明围岩情况良好，支护处理合理，很有效的控

6、制了位移的增加。特别是采用锚杆以及稍差地质条件下的管棚超前加固所形成的加固拱圈，大大地降低了地表沉降。同时，隧道右洞埋深较浅，故其沉降较左洞要小一些。地表最大沉降发生在左洞洞顶，其原因是先开挖右隧道，对左侧隧道上方土体产生了一次扰动，再开挖左隧道时，对左侧隧道上方土体产生了二次扰动，而且中墙左侧部位隧道的埋深也比较大，故在该处产生了较大的地表沉降。水平位移结果显示：隧道左洞右侧侧墙至拱顶段水平向位移为正向最大，大小为0.180mm，左侧侧墙与反底拱交界处出现负向水平位移最大值，大小为0.171mm。分析原因可能是由于左洞埋深较大，偏压较明显，隧道洞径过大引起

7、了较为明显的应力集中现象。图3.3第一主应力云图图3.4第三主应力云图3.2应力分析6结合第一、三主应力图6、7可以得出：整个模型断面除隧道周边的多数位置的第一主应力均为0，即这些位置的受力均为压力，不受拉力。在接近洞室的位置处，应力值明显增大，特别是拱顶和拱底处应力最大，且均为拉应力，这是由于隧道开挖所引起的，左洞应力明显大约右洞。拉应力最大值出现在左洞拱底位置，大小为0.607Mpa。图3.5塑性区分析应力云图3.3塑性区分析结合图8可知：整个开挖过程中，隧道内部及周边未出现塑性区，围岩始终处于弹性状态，受力条件良好。说明采用CRD法施工对围岩的扰动比较

8、小，而且锚杆和管棚超前支护对拱顶围岩的加固效果较好。