隧道开挖过程的数值模拟与分析

衬砌厚度 /mm
初期 支护
二次 衬砌
锚杆 直径 /mm
混凝土等级
初期 支护
二次 衬砌
Ⅲ 复合式 150
400
25 C20
C30
Ⅳ 复合式 100
400
25 C20
C30
Ⅴ 复合式 100
600
25 C20
C30
21413 荷载释放的分担比例 通常在围岩开挖后 ,岩体应力重新分布 ,采用地层
结构法计算 ,可通过对释放荷载设置释放系数控制初 期支护的受力 ,使初期支护和二次衬砌能按较为合理
C为黏聚力 。 在建模过程中 ,围岩 、隧道顶部围岩加固区 ,初期
支护都采用平面二维 4 节点等参单元模拟 ;二次衬砌 采用平面梁单元模拟 。网格大小依据从外边界围岩到
隧道结构由疏到密的原则 。隧道结构本身与围岩接触
部分范围内采用细密单元 。经过有限元网格划分共产
生 525个应变等参元和 793个节点 ,有限元模型见图 3。
表 1 围岩物理力学指标
围岩 弹性模量 泊松比 重度 黏聚力 内摩擦角
类别 E / GPa
ν γ/ ( kN /m3 ) C /M Pa φ/ ( °)
Ⅲ
15
0130
23
110
70
Ⅳ
5
0135
20
015
60
Ⅴ
2
0145
17
011
50
21412 支护结构参数 (见表 2)
表 2 支护结构参数
围岩 衬砌 类别 形式
地分担比例共同承受释放荷载的作用 。根据工程经
验 ,围岩工程地质条件较好时 ,初期支护取大值 ,二次 衬砌取小值 ,围岩工程地质条件较差时则相反 。具体 分担比例取初期支护时荷载释放 60% ,二次衬砌后 , 荷载释放 40% ,该荷载释放针对 Ⅲ类围岩 。 215 有限元模型的建立
本文采用 ANSYS二维平面应变弹塑性非线性方 法进行模拟 。根据隧道围岩特征 ,数值模拟采用弹塑 性 本 构 模 型 和 Mohr2Coulomb 屈 服 准 则 。 Mohr2 Cou lom b屈服准则表达式为
目前有限元法以成为隧道开挖 、支护过程最常用 的数值方法之一 ,多数的计算软件都是基于有限元法 编制的 ,本文用 ANSYS软件进行隧道开挖过程的模 拟 。ANSYS可以很好地模拟岩土体的力学性能 、包括 对断层 、夹层 、节理 、裂隙等地质情况的模拟 ,还可考虑 非线性应力 —应变关系及分期过程 ,使得实际情况在 计算中得到较好的反映 。
2010年第 2期
铁 道 建 筑 Railway Engineering
21
文章编号 : 100321995 (2010) 0220021204
隧道开挖过程的数值模拟与分析
石 坚 ,丁 伟 ,赵 宝
(长安大学 建工学院 ,西安 710061)
摘要 :结合安徽六潜某高速公路隧道 ,应用有限元软件 ANSYS建立了隧道计算模型 ,采用弹塑性方法及 Mohr2Coulomb屈服准则 ,对该隧道某断面分步开挖和支护进行模拟 ,得到了各个开挖阶段的位移 、应力 图 、支护结构内力图以及开挖前和开挖后隧道围岩与支护结构的位移 、应力变化规律 。 关键词 :隧道 ANSYS 有限元法 数值模拟 支护 中图分类号 : U45514 文献标识码 : A
2 隧道开挖过程的 ANSY S仿真模拟
采用 ANSYS有限元软件对安徽省某公路隧道某 断面进行开挖全过程仿真模拟 ,具体计算步骤见图 1。 211 隧道的工程概况
隧道为分离式设计 ,进口接线半径为 1 000 m ,出 口接线半径为 1 800 m , 洞内为直线段 , 设计纵坡为 2%。隧道主体部分处于微风化的片麻岩山体内 ,最大 埋深 116139 m ,在隧道洞口地段 ,基岩为片麻岩 ,其全 风化层厚 15～33 m ,局部顶部分布有残坡积土 ,波速 Vp = 500～750 m / s,强风化层厚 6～38 m ,弱风化层厚 度 > 5 m ,该地段设计最大埋深为 55 m。隧道单孔拟 定净宽度为 10150 m ,净高度为 510 m ,设计净跨度为
- 01358 - 01315 - 01369 - 01440 - 01201
表 3和表 4表明 ,最大水平位移发生在断面的拱 脚附近 。垂直位移在隧道开挖后发生了较大变化 ,上 台阶开挖后拱顶处位移量达 2151 cm ,支护后减小 011 cm ,下台阶开挖后位移量又有所增加 ,这是由于随着 开挖断面的增大 ,围岩体应力重新调整的结果 ,最大值 达到 2158 cm ,而在二次衬砌修筑后减小了 0143 cm , 这表明二次衬砌对本隧道围岩的变形及水平 、竖向上
图 7 上 、下台阶开挖后 x、y方向位移云图
图 8 上 、下台阶开挖后应力场云图
图 5 位移等直线云图 (单位 : m )
图 6 主应力等直线云图 (单位 : Pa)
21613 开挖过程模拟 选择模型中要开挖掉的区域的地层单元 ,将其杀
图 9 上 、下台阶开挖后 x、y方向位移云图
1)开挖与衬砌过程的位移 由上述计算得到开挖过程中各关键点处具体位移 值见表 3、表 4示 。
2010年第 2期
隧道开挖过程的数值模拟与分析
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图 3 单元网格划分
216 加载与初始地应力场模拟 21611 地层变形模拟
在模型上施加边界条件 、重力荷载并加载原始地 应力场 ,在 y方向的重力加速度设为“10 ”,所得到的 地层变形图见图 4。从图 4 中可看出 ,开挖前地层变 动整体的趋势是向下的 ,最大位移值为 2105 cm。
图 2 计算边界示意
边界的应力条件为 :上边界及左右边界为应力边 界 ,底边界约束垂直水平方向位移 。约束条件为 :模型 两侧边界施加 X 方向约束 , 模型下边界施加 Y方向约 束。 214 计算参数的选取 21411 围岩力学参数
主要考虑 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩组成的地层 ,对照《公
路隧道设计规范 》(JTG D70—2004) ,采用计算物理力 学指标见表 1。
x、y方向的位移等直线图见图 5。主应力等直线图见 图 6。由图 5可知 ,隧道开挖前 , x方向上的位移很小 , 最大值仅为 0126 cm ,而 y方向上的位移 ,从地表处的 2191 cm 逐渐向下变小到 0132 cm。由图 6可知 ,应力 的变化至上而下逐渐变大 ,最大值为 01156 ×107 Pa。
f = I1 sinφ/3 - (coθs + sinθsinφ/ 3) J1 + Ccoφs = 0
式中 ,θ=
- 3 3 J3
2
3
( J2 ) 2
, - π ≤θ≤π ;
6
6
其中 , I1 为主应力的第一不变量 ; J1、J2 、J3 分别为
应力偏张量的第一 、第二 、第三不变量 ;φ为内摩擦角 ;
死 ,表示将这部分土体开挖掉 ,即实现开挖的模拟 。将 相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活 ,即实现施 作支护的模拟 。ANSYS单元生死功能在杀死或激活 单元时 ,对单元的的应力 、位移等作了有效处理 。
3 计算结果分析
计算结果的位移 、应力云图见图 7～图 12。
图 4 地层变形图
21612 开挖前的位移和应力分析 隧道开挖前 ,在重力荷载和边界约束的条件下的
在 ANSYS中 ,可以用杀死和激活单元来模拟材料 的消去和添加 ,利用 ANSYS单元的生死功能 ,便可以 简单有效地模拟隧道的开挖和支护过程 。所谓单元的 “生和死 ”,是指分析过程中模型中的某些单元可以变
收稿日期 : 2009209214;修回日期 : 2009211212 作者简介 :石坚 (1957— ) ,男 ,广西昭平人 ,教授 ,硕士 。
- 01285 - 01162 - 01375 - 01376 - 11030 - 01186 - 01585 - 01523 - 01111 - 01214
- 01310 - 01380
01175 - 01415 - 01201
表 4 各关键点 y方向的位移
cm
工况 左拱腰 右拱腰 右拱脚 右拱肩 拱顶 拱底
上台阶开挖 - 21151 - 21153 - 11792 - 21458 21510 上台阶支护 - 21230 - 21211 - 11683 - 21369 21400 下台阶开挖 - 21210 - 21198 - 11108 - 21216 21580 下台阶支护 - 01179 - 01182 - 01981 - 21193 21610 二次衬砌 - 01143 - 01151 - 01107 - 21150 21157
①岩体为理想弹塑性介质 ; ②不考虑岩体变形的 时间效应和地下水的影响 ; ③岩体为各向同性均匀介 质 ; ④隧道及围岩的受力和变形是平面应变问题 ; ⑤垂 直地应力场为重力应力场 。 213 计算范围和边界条件
根据圣维南原理 ,对于隧道开挖后的应力和应变 , 仅在隧道周围距洞室中心点 3 ～5 倍隧道开挖宽度的 范围内存在影响 ,所以计算边界确定在 3～5倍开挖宽 度 。即模拟的地层范围为 :横向两端为 24 m ,得模型 宽 Lx = 60 m;下边界到洞底的距离取 1 倍的洞高 ( 10 m ) ,地表到洞顶的距离取 40 m ,得模型高 Ly = 60 m。 模型上边界到地表的距离 H = 30 m。计算范围见图 2。
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铁 道 建 筑
February, 2010
图 1 开挖过程仿真分析流程图
11166 m ,净高度为 7119 m 的多心圆断面 。该隧道洞 体围岩综合判定为 Ⅲ～Ⅴ类 ,围岩总体评价较好 。其 中 Ⅲ类围岩自承能力较差 ,采用上下台阶法 ,侧壁导坑 法或三台阶法等开挖 。 Ⅳ、Ⅴ类围岩自承能力较好 ,可 采用全断面法一次开挖 。 212 计算基本假设
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February, 2010
图 10 上 、下台阶支护结构应力云图
图 11 二次衬砌后 x、y方向位移云图
图 12 二次衬砌后应力场云图
表 3 各关键点 x方向的位移
cm
工况 左拱腰 右拱腰 右拱脚 右拱肩 拱顶 拱底
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
上台阶开挖 - 01280 - 01291 31225 上台阶支护 - 01382 - 01396 21490 下台阶开挖 - 01336 - 01324 31332 下台阶支护 - 01158 - 01166 21610 二次衬砌 01108 01151 21485
1 隧道开挖过程的数值模拟
本文主要以安徽某隧道工程为背景 ,以隧道围岩 压力和结构稳定性评价为主线 ,以保护围岩的自稳和 指导施工为目的 ,根据隧道围岩的自身特点 ,从围岩压 力入手 ,分析围岩的应力场和开挖过程中支护结构稳 定性 。在围岩稳定性定性评价的基础上 ,分析围岩和 支护结构的共同作用 ,探讨围岩与支护结构平衡状态 建立的力学要素 。建立二维平面模型模拟隧道的动态 开挖过程 。利用现有的 ANSYS910 有限元程序 ,通过 建立有限元模型 ,对隧道有限元模型采用平面弹塑性 分析 ,对隧道围岩建立的计算模型进行隧道开挖过程 动态数值模拟 ,分析开挖过程中围岩弹塑性应力 、应变 的分布和变化规律 ,重点对比隧道支护前后围岩的位 移和应力的变化以及支护结构自身的应力变化 ;分析 二次衬砌后隧道位移和应力变化及衬砌结构的变形情 况 ,为隧道的安全开挖提供参考 。
得存在或消亡 。对于死的单元 ,程序将通过用一个很 小的因子 乘 以 单 元 的 刚 度 , 在 荷 载 矢 量 中 , 和 这 些 “死 ”单 元 相 联 系 的 单 元 荷 载 也 被 设 置 为 0。对 于 “死 ”单元 ,质量 、阻尼 、比热和其它的类似影响也被设 置为 0,单元的应变也被设置为 0。隧道开挖时 ,可直 接选择将被开挖掉的单元 ,然后将其杀死 ,即可实现开 挖的模拟 。支护时 ,首先将相应支护部分在开挖时被 杀死的单元激活 ,然后改变其材料性质属性 。当单元 被重新激活时 ,它的刚度 、质量 、和单元荷载等返回原 始值 ,但是没有应变记录 。以实常数形式定义的初始 应变 ,则不受单元生死选项的影响 。不使用大变形效 应时 ,单元将在原始位置被激活 ,打开大变形效应时 , 为了和当前的节点位置相匹配 ,单元的形状被改变 。 在一些情况下 ,单元的生死状态可以根据 ANSYS的计 算结果来决定 ,如应力 、应变等 。ANSYS单元生死功 能在杀死或激活单元时 ,对单元的内在属性 ,如应力 、 位移等作有效处理 ,使用单元的生死功能来模拟隧道 的开挖和支护 。