基于ansys的韩坡岭隧道开挖数值模拟分析

基于 ANSYS 的韩坡岭隧道开挖数值模拟分析基于 ANSYS 的韩坡岭隧道开挖数值模拟分析 摘 要：本文基于 ANYSYS 软件对桃巴（四川省桃园至巴中）高速韩坡岭隧道进行了三维数值模拟，主要从隧道净空位移、衬砌应力等方面分析，提出针对隧道现场施工的优化建议，为以后隧道施工提供一定的参考。 关键词：隧道开挖；数值模拟；ANSYS 中图分类号：TU94+1 文献标识码： A 文章编号： 一、工程概况 韩坡岭隧道位于桃巴（四川省桃园至巴中）高速 LJ16 合同段，隧道左线（ZK130+140～ZK131+140）长 1000m，隧道右线（YK130+149～YK131+160）长 1011m，最大埋深为 115m。隧址区处于川北褶皱带南阳场背斜南翼，构造简单，未见断层褶曲，为单斜构造。岩石中主要发育 J1、J2 两组节理，并组成 X 节理。在节理面及岩层层面的组合切割下，岩体多呈块碎状镶嵌结构或大块状砌体结构，完整性中等～较好。隧道穿越的地层岩性主要为侏罗系蓬莱镇组砂泥岩。隧道轴线与岩层走向呈角度斜交。 二、三维数值模拟分析 因为隧道结构和岩土介质具有高度非线性，所以地下工程开挖问题具有非线性。隧道开挖施工是复杂的三维时空问题，开挖面附近岩体的应力和变形，一部分是由于开挖面对前推移荷载释放引起的，另一部分是由于围岩粘塑性变形随时间增长而产生蠕变引起的。由于隧道开挖过程中，周围土体受到较大扰动，采纳弹性有限元法模拟计算所得的位移值偏小，因此通常要将岩体视为弹塑性介质和粘弹塑性介质进行非线性分析。 1、参数选取 韩坡岭隧道中 IV 级围岩段所占比例为 91%左右，因此取 IV 级围岩段进行隧道开挖模拟分析。围岩采纳弹塑性材料进行计算，屈服准则采纳 Drucker-Prager 准则，其中 IV 级围岩及衬砌支护的物理力学参数指标详见表 1。 表 1 物理力学参数 2、有限元模型 模型采纳 ANSYS 三维实体单元进行模拟分析，围岩采纳 Solid-45 单元模拟，初期支护采纳 Shell63 单元模拟。本次有限元计算中，模型水平方向取距离隧道中心 4 倍洞跨，下方取洞高的 2.5 倍，上方取洞高的 3.5 倍，则模型尺寸选为 100 米（宽度）×62 米（高度）×30 米（厚度），如图 1 所示。将隧道沿开挖方向（Z 方向）分为 10 个施工步，每步开挖长度为 3 米，取 Z=-15 米处断面为目标断面。计算时其边界约束条件为：地表为自由表面，不加约束，模型左右边界受 X 轴方向位移约束，模型下部边界受 X、Y 轴方向位移约束...