基于有限元软件对隧洞开挖进行模拟分析

杨理想 贺晓东

（西京学院，陕西 西安710123）

1 概述

在隧洞开挖过程中，会由于隧洞开挖的进程和地理环境的差别，会导致隧洞周边的地表沉降量和塑型区域发生改变。之前的岩土体结构发生了变化，其伴随着的岩土体的应力也发生了改变。引起隧洞整体结构本身将受到破坏[1]。华薇[2]等通过有限元模型的计算分析得到隧洞的每次开挖，其周围都会产生变形，以及每次开挖后，隧洞受到的应力将会重新分布，通过支护围岩的方法，缓解了应力集中的问题，大大提高了隧洞侧壁的支撑强度。通过有限元进行隧洞灌浆压力模拟分析，给出3 个方案，认为其中一个方案最为可行，仅在隧洞顶拱和底板的中点区域产生拉应力,其它的部位为压应力,竖向应力仅在隧洞顶拱中点及顶拱另外的转折点处出现拉应力且值很小, 其它部位为压应力值[3-5]。本文通过有限元COMSOL 软件建立模型分析计算出安全塑型区域以及地表沉降量，为实际隧洞的开挖提供参考。

2 模拟

2.1 模型建立

在实际的岩土工程中，隧洞开挖是分布开挖的，本文利用有限元软件进行模拟分析。本隧洞开挖模型采用二维建模，采用平面问题的求解方法。在不受荷载作用的自由岩土体中挖出一条圆形隧洞，土体高45m，宽90m,在距离地表高度15m 处开挖一条半径为5m 的半圆形隧洞，线弹性材料为各向同性，土体力学参数分别为杨氏模量取2e10pa, 泊松比为0.48，粘聚力为120kpa,内摩擦角为450,建模如图1 所示。

图1 隧洞开挖模型建立

2.2 网格划分

COMSOL 软件提供了便捷的网格划分工具，本文通过软件自动生成三角形网格单元。采用自动生成网格，计算结果准确、精度高。由于计算机储存功能较大和计算量要求较高，在利用COMSOL 软件操作中采用比较多的三角网格和一些节点数的个数。在计算过程中以及解决平面问题的时候，本文采用三角形网格划分进行模拟分析，如图2 所示。

图2 隧洞开挖有限元网格

2.3 计算结果及分析

本文主要进行两个步骤，先计算隧洞开挖前的应力状态，紧接着开始进行隧洞开挖后的应力状态以及所计算的弹塑性曲线。根据资料显示，到目前为止，还没有一个本构模型能够反映出所有的力学性质，这就在计算过程前确定隧洞岩土体的土体性质，确定好特定的岩土体性质对岩土体顺利施工起到决定性作用，并以此来选用较好的本构模型。有限元岩土体模型通过给出的相关参数得出相应的数据，岩土体的单元实验模拟分析就是为了尽可能还原真实的隧洞开挖现场。一般情况下自然状态的岩土体初始应力值作为岩土体的应力状态。

3 计算结果分析

3.1 岩土体应力分析

在岩土体开挖的过程中需要用到初始应力的参数，所以第一步计算出初始应力的值，通过COMSOL 软件对隧洞开挖进行数值模拟，计算得到土体开挖前等效应力分布云图如图3。在隧洞开挖前的隧洞往前是静止土压力。计算得到土体开挖后等效应力分布云图如图4。

图3 土体开挖之前应力分布图

图4 土体开挖之后应力分布图

3.2 地表沉降分析

从图5 可以看出隧洞开挖之后位移变化情况，地表的沉降在隧洞开挖位置处最大，产生最大的垂直位移达到100mm,最大处发生在隧洞挖掘的中心位置，离开挖处随距离越远沉降量逐渐下降，其最小位置发生轴线位置的最末端处，在距离到开挖区域大约20mm 处。通过软件模拟出来与实践工程比较相似，符合之前的预期目标，所建立的模型较好的进行模拟仿真分析。

图5 土体开挖后地表与应力的关系曲线

4 结论

本文通过COMSOL 软件对隧洞进行模拟分析，计算出隧洞塑性区域的应力分布和土体开挖后地表的沉降曲线，可以预测地表的沉降，快速处理施工引起的地基位移。随着隧洞施工进度的推进地表沉降、塑性尺寸的范围也在增大。总之，在模拟了岩土体的基础结构，给出的特定区域，进行的有限元COMSOL软件分析，位移和塑性范围内所呈现的规律，较为清楚，为今后隧洞开挖提供参考。