ANSYS软件对公路隧道溶洞数值模拟探究

ANSYS软件对公路隧道溶洞数值模拟探究
1.前言
目前隧道已經成为我国山区道路建设的首选方案。

然而我国是一个岩溶较多的国家。

岩溶地区的地质条件往往十分复杂，因此隧道施工过程中洞顶坍塌的部位和时间很难预测，严重威胁工程安全。

目前国内外在这方面做了一些研究：吴梦军等针对岩溶地区公路隧道施工力学响应问题，进行了一系列大型相似模型试验以及数值模拟研究，探讨了溶洞发育程度和位置对隧道施工力学响应的影响，总结了岩溶地区隧道围岩位移场和塑性区的分布规律[1]；史世雍等利用数值模拟方法对不同尺度顶部溶洞对夏家庙隧道围岩位移和应力的影响进行了分析[2]；莫阳春等利用有限差分软件FLAC3D 对隧道施工过程中，隧道侧部含有溶洞的围岩变形特性进行了数值模拟研究，探讨了隧道侧部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩变形的影响[3]；宋战平等结合山岭隧道新奥法的施工现状，首次提出了隧道位移空间效应的先期位移、开挖瞬时释放位移、前期位移、和后期位移的概念[4]。

2.工程概括
重庆地区某公路隧道为分离式隧道，隧道全长2517.4m，洞净宽和净高分别为9.75m和7.0m，设计坡度为-2.60%，隧道最大埋深300m。

隧道轮廓设计图如图2.1所示。

在隧道左线施工过程中发现一巨型溶洞，与隧道轴线约45°斜交，沿线路方向跨度约173m，顶部位于隧道路面以上70m处。

针对此工程问题，提出两种改线治理方案：
②左线右偏、右线不变（间距4.6m）；
②左线右偏、右线右偏（间距20m）；
3.数值模拟研究
根据改线方案，利用有限元分析软件ANSYS对左洞开挖过程进行分析。

通过提高材料参数的方法模拟锚杆对周围岩体的加固作用，采用平面4节点单元plane42模拟围岩和加固圈，采用2节点梁单元beam3来模拟隧道混凝土衬砌。

为了消除边界影响，模型尺寸为：隧道左右岩体100m，隧道上部岩体厚度300m，下部岩体厚度100m，模型参数如表3.1所示。

数值模拟过程采用如下步骤：
①杀死左洞围岩加固圈；
②右洞全断面开挖，并进行喷锚支护；
③计算自重应力场；
④左洞全断面开挖，并进行喷锚支护（应力释放60%）。

有限元模型如图3.1所示。

4.数值模拟结果分析
图4.1是右洞开挖以后的初始位移场，此时最大位移5.251mm；图4.2是左洞开挖后的位移场，最大位移5.863mm。

因此可以看出右线开挖完成的情况下，左线施工对已建右线并未造成太大影响。

从位移图可以看出：自重作用下的围岩位移基本呈水平分布，施工完成后呈近似左右对称分布，而且拱顶位移基本呈漏斗状分布，在包含初始位移的条件下，地面最大沉降值为5.833mm，满足设计要求。

5.总结
本文共提出两种左线右偏的方案，一种为右线不变，另一种为右线右偏。

第一种方案的地质情况较为明确，且废弃段和新建长度均较短，仅对左线进行改线；施工期间出现有大块落石时，双层拱架无法为施工提供有效的保护；路基填土较高，压实度难保证，注浆加固施工难度大，运营期间易发生不均匀沉降。

第二种方案的优点是地质条件较好；距已贯通的隧道左线较近，施工过程中的地质风险较小，Ⅳ级围岩右洞开挖以后的初始位移场最大位移为4.504mm，左
洞开挖以后的位移场最大位移为4.532mm，此方案左线开挖对右线未造成较大影响；从最大压应力图与等效塑性应变图中可以看出塑性区出现在拱脚处，且处于锚杆的加固范围内，满足安全性，但该方案拆除和废弃工程较多。

参考文献
[1]吴梦军，许锡宾，赵明阶，刘绪华.岩溶地区公路隧道施工力学响应研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（9）：1525一1529
[2]史世雍，梅世龙，杨志刚.隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分析[J].地下空间与工程学报，2005，l（5）：698-702.。