基于有限元隧道开挖变形探究

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摘要：该文章采用有限元COMSOL软件模拟隧道开挖变形，建立了三隧道开挖变形的二维有限元分析模型，从而进行研究分析。表面沉降量以及隧道周围塑性区域是重要的预测开挖过程中必要的的参数。为了计算地应力，需使用两个研究步骤。在第一个研究中，计算隧道开挖前土体的应力状态，在第二个研究中计算土的位移。

关键词：隧道开挖；有限元；应力

1概述

洞穴挖掘后，会在岩石和土壤中形成自由变形的空间。最初处于挤压状态的岩石由于结合力的释放而导致膨胀变形。当这种变形超过周围岩石本身的能力时，周围的岩石将被破坏，导致分离，坍塌和膨胀对围护结构变形的控制非常重要。本文采用有限元软件进行隧道开挖的模拟[1]，从而进行因开挖而引起的变形研究。

2有限元模型

2.1材料参数和本构模型的定义。本次试验的几何结构是由60米深、120米宽的土层组成。3个直径为10的半圆画在矩形的左侧。杨氏模量E=12MPa，泊松比υ=0.495，内聚力c=130KPa，内摩擦角为30度。采用Drucker-Prager准则[2]，将材料参数与Mohr-Coulomb准则[3]进行匹配。2.2有限元模型建立。在下边界用固定的约束边界来固定位移；左侧边界使用对称，右侧边界使用滚轮。将默认的自由边界保持在顶部。添加一个重力节点（中点）来考虑重力效果[4]。因隧道通常比较长，所以可按平面应变问题考虑，本文对隧道进行较细化网格划分[5]。

3有限元结果分析

3.1原模型结果分析。图2显示了重力引起的应力分布。辊和对称当边界产生均匀的垂直变化。从图中我们可以很清晰的发现在隧道开挖前只因重力而引起土层的应力变化。下边界的应力最大，然后从下到上在逐渐减小。最大的应力可以达到36×104N/m2。在地应力取自第一步。注意周围有效应力的增加隧道[6]。从这张图中我们可以发现最大应力对比上一张图明显增大了，可以达到36×106N/m。在隧道周围的应力是最大的，逐渐向四周减小直至为0。3.2顶部位移分析。顶面由于地震引起的水平位移和沉降开挖如图4和图5所示。从图4中我们可以发现随着弧长的不断增大，顶部边界在x方向上的位移也随之先增大，而后在37的时候顶部边界在x方向上的位移是最大的，向左侧移动了将近170mm，之后又随着弧长的不断增大，在x方向上的位移也在逐渐减小直至为0。而从图5我们也可以发现其在y方向上的位移先随着弧长的增大而增大，然后在弧长达到15的时候，顶部边界在y方向上的位移达到最大，向下移动了0.33m，随后又随着弧长的不断增大，在y方向上的位移在逐渐减小直至为0。

4结论

第一，我们通过运用有限元COMSOL软件模拟隧道开挖，对其产生的应力和位移都进行了分析。根据隧道开挖的数值模拟分析，可以看出，应力的变化是由外界荷载和自重都有一定的关系。第二，根据隧道开挖的数值模拟分析，我们可以发现顶部边界在x方向上的位移比在y方向上的位移要小很多。而且在x方向上位移和在y方向上的位移并不能同时达到最大。第三，数值模拟也存在一些不足之处，对于特定项目，应根据现场试验数据和实际参数进行研究分析。

参考文献

[1]苏志业，张少钦.基于ANSYS的重力式挡土墙断面优化设计[J].南昌航空大学学报，2010，24（4）：79-84.

[2]赵晓萍，高翔.水泥搅拌桩重力式挡土墙变形的有限元分析[J].天津建设科技，2010（4）：46-49.

[3]郭远翔，黄慧隆.重力式挡土墙变形影响因素研究[J].四川建筑科学研究，2014，40（4）：148-152.

[4]杨万托，殷海华，王光军，梅国雄.重力式挡土墙有限元分析[J].建筑技术开发，2002（5）：27-28+45.

[5]周智海，王灿，陈芳.重力式挡土墙稳定性影响因素分析[J].公路与汽运，2015（2）：126-128+160.

[6]蔡阳，罗书学，刘昌清.重力式挡土墙结构稳定性的可靠度分析[J].四川建筑，2005（4）：86-87.

作者:陈健 权娟娟 杨如东 单位:西京学院