基于有限元軟件對隧洞開挖進行模擬分析

楊理想 賀曉東

（西京學院，陜西 西安710123）

1 概述

在隧洞開挖過程中，會由于隧洞開挖的進程和地理環境的差別，會導致隧洞周邊的地表沉降量和塑型區域發生改變。之前的巖土體結構發生了變化，其伴隨著的巖土體的應力也發生了改變。引起隧洞整體結構本身將受到破壞[1]。華薇[2]等通過有限元模型的計算分析得到隧洞的每次開挖，其周圍都會產生變形，以及每次開挖后，隧洞受到的應力將會重新分布，通過支護圍巖的方法，緩解了應力集中的問題，大大提高了隧洞側壁的支撐強度。通過有限元進行隧洞灌漿壓力模擬分析，給出3 個方案，認為其中一個方案最為可行，僅在隧洞頂拱和底板的中點區域產生拉應力,其它的部位為壓應力,豎向應力僅在隧洞頂拱中點及頂拱另外的轉折點處出現拉應力且值很小, 其它部位為壓應力值[3-5]。本文通過有限元COMSOL 軟件建立模型分析計算出安全塑型區域以及地表沉降量，為實際隧洞的開挖提供參考。

2 模擬

2.1 模型建立

在實際的巖土工程中，隧洞開挖是分布開挖的，本文利用有限元軟件進行模擬分析。本隧洞開挖模型采用二維建模，采用平面問題的求解方法。在不受荷載作用的自由巖土體中挖出一條圓形隧洞，土體高45m，寬90m,在距離地表高度15m 處開挖一條半徑為5m 的半圓形隧洞，線彈性材料為各向同性，土體力學參數分別為楊氏模量取2e10pa, 泊松比為0.48，粘聚力為120kpa,內摩擦角為450,建模如圖1 所示。

圖1 隧洞開挖模型建立

2.2 網格劃分

COMSOL 軟件提供了便捷的網格劃分工具，本文通過軟件自動生成三角形網格單元。采用自動生成網格，計算結果準確、精度高。由于計算機儲存功能較大和計算量要求較高，在利用COMSOL 軟件操作中采用比較多的三角網格和一些節點數的個數。在計算過程中以及解決平面問題的時候，本文采用三角形網格劃分進行模擬分析，如圖2 所示。

圖2 隧洞開挖有限元網格

2.3 計算結果及分析

本文主要進行兩個步驟，先計算隧洞開挖前的應力狀態，緊接著開始進行隧洞開挖后的應力狀態以及所計算的彈塑性曲線。根據資料顯示，到目前為止，還沒有一個本構模型能夠反映出所有的力學性質，這就在計算過程前確定隧洞巖土體的土體性質，確定好特定的巖土體性質對巖土體順利施工起到決定性作用，并以此來選用較好的本構模型。有限元巖土體模型通過給出的相關參數得出相應的數據，巖土體的單元實驗模擬分析就是為了盡可能還原真實的隧洞開挖現場。一般情況下自然狀態的巖土體初始應力值作為巖土體的應力狀態。

3 計算結果分析

3.1 巖土體應力分析

在巖土體開挖的過程中需要用到初始應力的參數，所以第一步計算出初始應力的值，通過COMSOL 軟件對隧洞開挖進行數值模擬，計算得到土體開挖前等效應力分布云圖如圖3。在隧洞開挖前的隧洞往前是靜止土壓力。計算得到土體開挖后等效應力分布云圖如圖4。

圖3 土體開挖之前應力分布圖

圖4 土體開挖之后應力分布圖

3.2 地表沉降分析

從圖5 可以看出隧洞開挖之后位移變化情況，地表的沉降在隧洞開挖位置處最大，產生最大的垂直位移達到100mm,最大處發生在隧洞挖掘的中心位置，離開挖處隨距離越遠沉降量逐漸下降，其最小位置發生軸線位置的最末端處，在距離到開挖區域大約20mm 處。通過軟件模擬出來與實踐工程比較相似，符合之前的預期目標，所建立的模型較好的進行模擬仿真分析。

圖5 土體開挖后地表與應力的關系曲線

4 結論

本文通過COMSOL 軟件對隧洞進行模擬分析，計算出隧洞塑性區域的應力分布和土體開挖后地表的沉降曲線，可以預測地表的沉降，快速處理施工引起的地基位移。隨著隧洞施工進度的推進地表沉降、塑性尺寸的范圍也在增大。總之，在模擬了巖土體的基礎結構，給出的特定區域，進行的有限元COMSOL軟件分析，位移和塑性范圍內所呈現的規律，較為清楚，為今后隧洞開挖提供參考。