公路隧道开挖的ANSYS三维仿真分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第１期　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１　２　０　０　８年１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｊａｎ．２００８　・３２１・　文章编号：１００９．６８２５｛２００８）０１—０３２１．０２　公路隧道开挖的ＡＮＳＹＳ三维仿真分析　范育青　阳克青王景双　摘要：结合具体工程，对公路隧道的设计－９开挖过程进行ＡＮＳＹＳ三维仿真分析，获得隧道围岩地层的应力、位移的分　布规律，进而验证隧道设计参数的合理性，同时判断所选用的施工方法能否保证隧道围岩的稳定。　关键词：隧道，ＡＮＳＹＳ，三维仿真分析　中图分类号￣Ｕ４５５　文献标识码：Ａ　ＡＮＳＹＳ是世界上著名的大型通用有限元分析软件，也是中　空注浆型锚杆；再用Ｃ２０混凝土喷射１０　ＣｉＴＩ厚。材料参数见表１，　国用户最多、应用最广泛的有限元分析软件，它融结构、热、流体、　整体几何模型见图１。　电磁、声学多专业的分析于一体，可广泛应用于机械制造、石油化　表１材料参数表　工、轻工、造船、航天航空、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道　编号　材料名称　弹性模量／ＧＰａ　泊松比　密度／　・ｍ～　等各种工业建设和科学研究。作为世界上第一个通过ＩＳＯ　９０００　１　整个地层　１５　．　０　３　２　４００　２　锚杆加固的地层　２０　０．２５　２　３ｏｏ　认证的有限元分析软件，目前推出的ＡＮＳＹＳ产品具有应用范围　３　初期衬砌部分　３０　０．２　２　５ｏｏ　广、操作简单、图形和后处理功能强大等优点，因而为全球工业界　ｖＯＩｌ　ｖ正　所接受，尤其在中国的ＣＡＥ软件市场上一向居于榜首…１。　ＴＹＰＥＮＵⅥ　公路隧道结构非常复杂，特别是处于不良地质条件下的隧　道，进行三维有限元分析时用常规的方法很难精确模拟，并且费　时费力。而ＡＮＳＹＳ强大的实体建模能力可以快速精确地模拟复　杂的隧道结构，通过功能完善的网格划分工具即可生成理想的三　维有限元网格，并且其计算精度和速度也很高。隧道的开挖是个　复杂的系统工程，在隧道围岩非常复杂的条件下进行ＡＮＳＹＳ有　限元开挖模拟是非常必要的，在参数选取合理的情况下，ＡＮＳＹＳ　图１整体几何模型图　软件可以很好地模拟初期支护、围岩的变形、顶拱下沉等，这对开　２．３单元网格划分　挖施工工艺、选择合理的支护结构、进行结构可靠性分析等方面　ＡＮＳＹＳ网格划分过程包括３个步骤：１）建立，选取单元资　都具有重要的意义＿２　Ｊ。下面就介绍ＡＮＳＹＳ９．０软件在公路隧道　料，包括单元类型（ＴＹＰＥ）、实常数（ＲＥＡＬ）和单元材料属性　开挖中的三维仿真分析过程。　（ＭＡＴ）；２）设定网格建立所需的参数；３）产生网格【　。　１　工程概况　网格划分合理与否对结果有着很大的影响。ＡＮＳＹＳ通常采　该公路隧道位于山岭地区，埋深为４０　ｍ～１００　ｍ，两端为Ⅳ类　用两种网格划分方法：自由网格和映射网格。而对于体的网格　围岩，中间为Ｖ类围岩，全长５００　ｍ；洞内为直线段；为满足纵向排　划分ＡＮＳＹＳ还有一种扫掠网格划分功能（ＳＷＥＥＰ），扫掠网格划　水的要求，根据ＪＴＪ　０２６—９０公路隧道设计规范，设计纵坡为２％；　分是指从一个边界面网格扫掠贯穿整个体将未划分网格的体划　隧道采用全断面开挖法，先开挖隧道，待拱顶初期喷锚支护完成　分成规则的网格。如果源面由四边形网格组成，扫掠成的体将生　后再进行二次支护。　成六面体单元；如果源面由三角形网格组成，扫掠成的体将生成　楔形单元＿３　Ｊ。结合本次模拟的具体情况，整个模型并不是完全的　２模型建立　规则，无法全部做映射网格划分，而使用自由网格对结果易造成　２．１单元的选取　很大的误差，为了得到更理想的网格，因此本次模拟采用扫掠网　ＡＮＳＹＳ中提供了近２００种单元类型［　，根据隧道结构不同　格划分。单元网格划分完成后，再通过锚固地层单元下面的节点　部分的特点选用合适的单元可以使模型更加接近工程实际，提高　创建壳体单元。　计算精度，减少计算的成本。文中采用Ｂｒｉｃｋ　８　ｎｏｄｅ　４５实体单元　２．４加载与初始地应力场模拟　来模拟Ⅳ类围岩地层以及Ⅳ类围岩地层中被锚杆加固的部分，隧　选取两侧边界上的节点，打开节点对话框，在ｘ方向和ｚ方　道的初期支护采用Ｓｈｅｌｌ单元中的Ｅｌａｓｔｉｃ　４　ｎｏｄｅ　６３单元。在开挖　向施加约束，在底下边界节点上的ｙ方向和ｚ方向施加约束，在　模拟过程中隧道二次衬砌没有考虑，因此不用进行单元模拟。　后面节点上施加ｚ方向约束；然后施加重力加速度并将所有壳体　２．２建立几何模型　单元杀死；最后进行求解选项设置就可以求解了。这里初始地应　本次地层模拟范围为：横向两端除去２倍的洞径（１２　ｍ）为　力场就是指原始的地应力场。　２４ｍ，总宽为６０ｍ；高为埋深４０ｍ，隧道底下１倍洞高（１０ｍ），总地　３开挖过程模拟　层高为６０ｍ。初期支护采用直径２５　ｃｒｎ，长度２．５　ｎ１＠１．０　ｍ的中　在初始地应力场模拟计算完成后，下一步就进行开挖模拟分　收稿日期：２００７．０８．２７　作者简介：范育青（１９踟～），男，广西大学资源与环境学院硕士研究生，广西南宁５３０００４　阳克青（１９８２．），男，广西大学资源与环境学院硕士研究生，广西南宁５３０００４　王景￣（１９８１～），女，广西大学资源与环境学院硕士研究生，广西南宁５３０００４　维普资讯 http://www.cqvip.com

．３２２．　聋　山　西建　筑　９。ＩＩＩⅡ　析，利用￣ＮＳＹＳ生死单元选项中的杀死单元选项，选择开挖部分　的地层单元（　ｉｄ４５）；然后再选择生死单元中的激活单元选项，　选择进尺开挖区域周围的壳体单元（Ｓｈｅｌｌ６３）。杀死的土体单元　：。６　：．　表示这部分土体已被挖掉，同时在拱顶部分进行初期支护，用激　活的壳体单元表示。ｓ　－＿一．４５１Ｅ＋０７　３．１　求解分析　结合ＡＰＤＬ命令流，对隧道进行连续模拟开挖。在通过非线　性求解后，得到的ｙ方向位移图和３个主应力图，见　图２～图５　Ｎ　］ＡＬ　９ｒｌｌＪｎ（Ｎ　ＳⅡＰ＝６　Ｂ＝４　Ｔ　Ｅ＝６　４５１Ｅ＋ｏ７　一．３５（Ｅ＋０７一．２４９Ｅ＋ｏ７一ｌ４舡＋０７　—４７４　２６６　．ＵＹ（ＡＶＧ）　４Ｏ　＋０７—２９９Ｅ＋０７　—１９９Ｅ＋０７—９７８　１４６　２９　６１４　ＲＳＹＳ＝０　ｃＭｘ＝００３　６２８　＝一００３　６２８　图５第三主应力图　３．２计算结果分析　３．２．１　隧道周围的围岩位移　通过ＡＮＳＹＳ软件非线性求解可知，隧道在开挖过程中，最大　的地面变形为３．６２８　ｍｍ，总的拱顶下沉是很小的，在０．９　ｍｍ左　右，而隧道底部围岩向上的反弹几乎为０，隧道两侧水平位移仅　００３　６２８　一．００２　８２２一．００２　０１６　—００１　２０９一．４０亚一３　０　为０．１３　ｍｍ。　００３　２２５　—０【】２　４１９　—００１　６１２　一．８０匝一０３　从位移图可知，顶拱围岩塌落的高度大概在２倍洞高左右，　两侧边界位移在１０　ｍ处趋于水平，说明隧道的开挖对两侧边界　的影响约为１倍的洞宽。所以计算模型所选用的边界条件是可　靠的，计算所得到的结果具有可行性。　３．２．２　隧道围岩的围岩应力　从各个方向地层的应力图以及主应力图可以看出，随着隧道　的开挖修建，整个地层大部分区域都是受压的，只是在隧道附近　一图２　Ｙ方向位移图　Ｎｒ】　Ｌ　】Ｉ　ｒＩ１（　ＳＩ口＝６　旧＝４　．１ｎＥ＝６　Ｓ１（ＡＶＧ）　Ｉ　Ⅸ＝０［）３　６２８　＝一９１４　３７４　Ｓ　Ⅸ＝７４６Ｚ７８　个很小的区域范围内出现拉应力。同时从主应力图可知道，拉　应力区域都在所加固的围岩范围以内，而围岩加固的范围是由锚　杆的长度决定的。因此，说明在本隧道的设计中，所采用的锚杆　长度是合理的，而且是有效的。　综上所述，从隧道周围变形的情况来看，采用全断面开挖修　９１４　３７４　—５４５　３４１　—１７６　３０７　—３６０　８２４　１９２　７２７　５６１　７６１　７４６　２７８　７２９　８５８　８　２１０　３７７　２４４　建Ⅳ类围岩条件下的公路隧道是安全的，围岩能够自行稳定。从　整个应力图可以看出，所设计的初期支护参数能满足施工过程中　围岩的稳定。该方法还要不断地与具体工程相结合，不断完善其　中的各个方面，才能更好地应用于实际工程。　参考文献：　图３第一主应力图　Ｎｒ】　Ｌ９嘎ＩＩＩ　Ｎ　ＳｒＥ　＝６　旧＝４　．１ｎＥ＝６　Ｓ２＝一．（ＡＶＧ）　１３匝＋【）７　［１］刘相新，孟宪颐．ＡＮＳＹＳ基础与应用教程［Ｍ］、北京：科学出版　社，２００６、　Ｉ　Ⅸ＝∞３　８　＝３Ｍ　５５１　［２］潘昌实．隧道力学数值方法［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，　１９９５．　［３］李黎明．ＡＮＳＹＳ有限元分析实用教程［Ｍ］．北京：清华大学出　版社。２００５．　［４］陈精．ＡＮＳＹＳ工程分析实例教程［Ｍ］．北京：中国铁道出版　１３匝＋０７　—９８０　９６４　—６０５　１０３　—２２９　２４１　１４６　６２１　３３４　５５１　社，２００７．　．１１７Ｅ＋【）７　—７９３　０３３　—４１７１７２　４１　３１０　图４第二主应力图　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＡＮＳＹＳ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｏｒ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ＦＡＮ　Ｙｕ－ｑｉｎｇ　ＹＡＮＧ　Ｋｅ－ｑｉｎｇ　ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇ－ｓｈｕａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｗｏｒｋ，ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＡＮＳＹＳ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ＷａＮ　ｕｓｅｄ．　Ｔｈｅ　ｎｕｎ１ｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｉ℃ｖｅａｌｓ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｌｌ—ｒｏｃｋ．Ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｕｎｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａ—　ｒａｎ１ｅｔｅｒｓ　ＷａＮ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗａｌｌ—ｒｏｃｋ　ｏｆ　ｒｏａｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｊｕｄｇｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ，ＡＮＳＹＳ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｎａａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ