Autodesk Simulation在隧道計算的應用研究

李 明房 昕孫雪嬌

（1.吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118；2.南京工業大學交通學院，江蘇 南京 210009）

Autodesk Simulation在隧道計算的應用研究

李 明1，2房 昕1孫雪嬌1

（1.吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118；2.南京工業大學交通學院，江蘇 南京 210009）

隨著計算機的發展，有限元軟件的應用越來越廣泛。在限元軟件Autodesk Simulation中，建立隧道與周圍巖體的二維模型，設定初始條件，進行仿真分析。得到以下結論：隧道整體結構的變形位移在底板處產生最大值，最大值為0.214689m；拱頂位移相對較小，其值為0.0135542m，兩側直墻部分位移方向均指向隧道內部，位移大小為0.0032619m，拱腳和兩側直墻與底板連接部位易產生應力集中現象，拱腳部分應力較大，最大值為441496N。

公路隧道；Autodesk Simulation；仿真分析

在過去山區和丘陵地區公路工程中，多以盤山公路和山體切坡深挖等方式為主。該方式占用了大量的耕地，而且能耗比較高，安全隱患多，對生態環境的破壞非常大。修建公路隧道可以保護環境，縮短兩地路程，避免大坡道，節省交通用時；又避免了滑坡、落石和泥石流等自然災害的隱患。公路隧道的施工以新奧法為主，該方法是以噴射混凝土和錨桿的有機結合作為隧道主要的支護手段。相比于理論計算方法，借助有限元軟件可以減短設計周期，減少成本。本文借助有限元軟件Autodesk Simulation建立隧道與周圍巖體的二維模型，設定初始條件，進行仿真分析，分析結構變形情況。

1 有限元軟件建模

根據某高速公路隧道建立物理模型，該隧道設計時速為120km/h，建筑限界最小寬度為11.5m，建筑限界高度為5m，圍巖級別為Ⅲ，S=3，巖石重度γ=23kN/m3，初期支護噴射混凝土噴層厚度為100mm，二次襯砌的混凝土厚度為350mm，隧道開挖跨度為B=12.4m，直墻部分高5.5m。根據現行公路隧道設計規范計算圍巖壓力，得出隧道圍巖的豎向均布壓力q=70.38kN/m2，水平壓力e=10.56kN/m2，巖石的彈性模量為E=8.66GPa，泊松比μ=0.28。

1.1 建模

為了簡化計算，作出假設：（1）假定巖體為均質連續體，不考慮巖體中節理裂隙產狀和發育狀態；（2）不考慮施工過程中的爆破影響；（3）地層各層之間界面假定為水平面；（4）忽略地質構造應力，用自重應力場來代表初始地應力場；（5）不考慮超前輔助施工支護對圍巖應力場的影響；（6）不考慮地下水的影響。

處于巖層中的隧道洞室，沿長度方向上的應力不變，可將其看成平面應變問題，所以將隧道結構的計算進行結構簡化，據此建立二維模型。分別建立直墻、拱底和拱頂模型，依據起點和終點坐標形式建立直線，采用三點圓弧法建立隧道物理模型。

1.2 材料定義

設定材料密度ρ=2.3kg/m3，彈性模量Ε=8.66GPa，材料的泊松比μ=0.28。

1.3 添加約束和施加荷載

對模型施加荷載和約束，將直墻拱底、上部拱與直墻連接處施加Tx、Tz和Ry方向的約束，并限制拱和直墻其他節點處Tz、Rx和Ry方向的位移。并施加拱頂沿負Y方向的均布力70.38kN/m2，左右兩側直墻分別沿X正方向和負方向的均布力10.56kN/m2。至此，模型建立完成，如圖1所示。

圖1 二維模型

圖2 位移沿Y方向的位移分量

圖3 位移沿X方向的位移分量

圖4 反作用力云圖

2 仿真分析

經過線性分析，可以得到位移分布云圖和力的分布云圖。其中，底板跨中位置位移值較大，最大值沿Y軸正向，其值為0.214689m，拱頂位移值相對較小，大小為0.0135542m，方向向下，如圖2所示。直墻部分位移方向均指向隧道內部（沿X方向），其值為0.0032619m，如圖3所示。

在承受圍巖壓力時，隧道拱圈對圍巖壓力施加反作用力，由反作用力云圖（圖4）可知，拱腳部位和直墻與底板連接部位易產生應力集中現象，且由圖中可以看出拱腳部位的反作用力最大，最大值為441496N，方向指向隧道外側。

結語

本文通過有限元仿真分析，得出以下幾點結論：

（1）結構變形以豎向位移為主，在底板位置產生的豎向位移最大，數值為0.214689m，沿Y軸正向，拱頂位移相對較小，其值為0.0135542m，兩側直墻部分位移方向均指向隧道內部，位移大小為0.0032619m，拱腳和兩側直墻與底板連接部位易產生應力集中現象，拱腳部分應力較大，最大值為441496N。施工中應適當采取仰拱，抵抗過大的豎向變形，引起底部隆起；直墻主要承受水平圍巖壓力，其豎向位移遠小于底板。可見豎向圍巖壓力是影響結構變形的主要因素。

（2）結構在墻腳部位的內力，特別是彎矩值很大，有應力集中現象，建議工程實際中加厚此處襯砌厚度或墻腳轉角處做成圓滑的過度曲線以減少應力集中。拱圈彎矩比較小，可以適當減少襯砌的尺寸，以達到經濟要求。

（3）隧道及其周圍圍巖主要處于受壓狀態，只在拱圈加固區域和墻腳區域出現小范圍的受拉區。對于拱圈建議設計時合理采用錨桿加固，以減少其在Y方向的變形量。

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U451+.5

A

李明（1981-），男，吉林長春，講師，博士后在站，主要研究方向：地下空間開發利用，地質災害評估與治理，E-mail：20542053@qq.com。

房昕（1987-），女，吉林松原，講師，博士，主要從事地質工程和城市地下空間的科研工作，E-mail：396221751@qq.com。

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目，項目編號：吉教科合字[2014]第513號。