Autodesk Simulation在隧道計算的應(yīng)用研究

李 明房 昕孫雪嬌

（1.吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118；2.南京工業(yè)大學交通學院，江蘇 南京 210009）

Autodesk Simulation在隧道計算的應(yīng)用研究

李 明1，2房 昕1孫雪嬌1

（1.吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118；2.南京工業(yè)大學交通學院，江蘇 南京 210009）

隨著計算機的發(fā)展，有限元軟件的應(yīng)用越來越廣泛。在限元軟件Autodesk Simulation中，建立隧道與周圍巖體的二維模型，設(shè)定初始條件，進行仿真分析。得到以下結(jié)論：隧道整體結(jié)構(gòu)的變形位移在底板處產(chǎn)生最大值，最大值為0.214689m；拱頂位移相對較小，其值為0.0135542m，兩側(cè)直墻部分位移方向均指向隧道內(nèi)部，位移大小為0.0032619m，拱腳和兩側(cè)直墻與底板連接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱腳部分應(yīng)力較大，最大值為441496N。

公路隧道；Autodesk Simulation；仿真分析

在過去山區(qū)和丘陵地區(qū)公路工程中，多以盤山公路和山體切坡深挖等方式為主。該方式占用了大量的耕地，而且能耗比較高，安全隱患多，對生態(tài)環(huán)境的破壞非常大。修建公路隧道可以保護環(huán)境，縮短兩地路程，避免大坡道，節(jié)省交通用時；又避免了滑坡、落石和泥石流等自然災(zāi)害的隱患。公路隧道的施工以新奧法為主，該方法是以噴射混凝土和錨桿的有機結(jié)合作為隧道主要的支護手段。相比于理論計算方法，借助有限元軟件可以減短設(shè)計周期，減少成本。本文借助有限元軟件Autodesk Simulation建立隧道與周圍巖體的二維模型，設(shè)定初始條件，進行仿真分析，分析結(jié)構(gòu)變形情況。

1 有限元軟件建模

根據(jù)某高速公路隧道建立物理模型，該隧道設(shè)計時速為120km/h，建筑限界最小寬度為11.5m，建筑限界高度為5m，圍巖級別為Ⅲ，S=3，巖石重度γ=23kN/m3，初期支護噴射混凝土噴層厚度為100mm，二次襯砌的混凝土厚度為350mm，隧道開挖跨度為B=12.4m，直墻部分高5.5m。根據(jù)現(xiàn)行公路隧道設(shè)計規(guī)范計算圍巖壓力，得出隧道圍巖的豎向均布壓力q=70.38kN/m2，水平壓力e=10.56kN/m2，巖石的彈性模量為E=8.66GPa，泊松比μ=0.28。

1.1 建模

為了簡化計算，作出假設(shè)：（1）假定巖體為均質(zhì)連續(xù)體，不考慮巖體中節(jié)理裂隙產(chǎn)狀和發(fā)育狀態(tài)；（2）不考慮施工過程中的爆破影響；（3）地層各層之間界面假定為水平面；（4）忽略地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，用自重應(yīng)力場來代表初始地應(yīng)力場；（5）不考慮超前輔助施工支護對圍巖應(yīng)力場的影響；（6）不考慮地下水的影響。

處于巖層中的隧道洞室，沿長度方向上的應(yīng)力不變，可將其看成平面應(yīng)變問題，所以將隧道結(jié)構(gòu)的計算進行結(jié)構(gòu)簡化，據(jù)此建立二維模型。分別建立直墻、拱底和拱頂模型，依據(jù)起點和終點坐標形式建立直線，采用三點圓弧法建立隧道物理模型。

1.2 材料定義

設(shè)定材料密度ρ=2.3kg/m3，彈性模量Ε=8.66GPa，材料的泊松比μ=0.28。

1.3 添加約束和施加荷載

對模型施加荷載和約束，將直墻拱底、上部拱與直墻連接處施加Tx、Tz和Ry方向的約束，并限制拱和直墻其他節(jié)點處Tz、Rx和Ry方向的位移。并施加拱頂沿負Y方向的均布力70.38kN/m2，左右兩側(cè)直墻分別沿X正方向和負方向的均布力10.56kN/m2。至此，模型建立完成，如圖1所示。

圖1 二維模型

圖2 位移沿Y方向的位移分量

圖3 位移沿X方向的位移分量

圖4 反作用力云圖

2 仿真分析

經(jīng)過線性分析，可以得到位移分布云圖和力的分布云圖。其中，底板跨中位置位移值較大，最大值沿Y軸正向，其值為0.214689m，拱頂位移值相對較小，大小為0.0135542m，方向向下，如圖2所示。直墻部分位移方向均指向隧道內(nèi)部（沿X方向），其值為0.0032619m，如圖3所示。

在承受圍巖壓力時，隧道拱圈對圍巖壓力施加反作用力，由反作用力云圖（圖4）可知，拱腳部位和直墻與底板連接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且由圖中可以看出拱腳部位的反作用力最大，最大值為441496N，方向指向隧道外側(cè)。

結(jié)語

本文通過有限元仿真分析，得出以下幾點結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)變形以豎向位移為主，在底板位置產(chǎn)生的豎向位移最大，數(shù)值為0.214689m，沿Y軸正向，拱頂位移相對較小，其值為0.0135542m，兩側(cè)直墻部分位移方向均指向隧道內(nèi)部，位移大小為0.0032619m，拱腳和兩側(cè)直墻與底板連接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱腳部分應(yīng)力較大，最大值為441496N。施工中應(yīng)適當采取仰拱，抵抗過大的豎向變形，引起底部隆起；直墻主要承受水平圍巖壓力，其豎向位移遠小于底板。可見豎向圍巖壓力是影響結(jié)構(gòu)變形的主要因素。

（2）結(jié)構(gòu)在墻腳部位的內(nèi)力，特別是彎矩值很大，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議工程實際中加厚此處襯砌厚度或墻腳轉(zhuǎn)角處做成圓滑的過度曲線以減少應(yīng)力集中。拱圈彎矩比較小，可以適當減少襯砌的尺寸，以達到經(jīng)濟要求。

（3）隧道及其周圍圍巖主要處于受壓狀態(tài)，只在拱圈加固區(qū)域和墻腳區(qū)域出現(xiàn)小范圍的受拉區(qū)。對于拱圈建議設(shè)計時合理采用錨桿加固，以減少其在Y方向的變形量。

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U451+.5

A

李明（1981-），男，吉林長春，講師，博士后在站，主要研究方向：地下空間開發(fā)利用，地質(zhì)災(zāi)害評估與治理，E-mail：20542053@qq.com。

房昕（1987-），女，吉林松原，講師，博士，主要從事地質(zhì)工程和城市地下空間的科研工作，E-mail：396221751@qq.com。

吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究項目，項目編號：吉教科合字[2014]第513號。