本文選自省級期刊《科技咨詢》，《科技資訊》雜志由北京市科學技術研究院主管，北京國際科技服務中心主辦的科技期刊。本刊國際標準刊號：ISSN1672-3791；國內統一刊號：CN11-5042/N；郵發代號82-238,面向國內外公開發行。創刊年：2003年。

　　辦刊宗旨:聚焦中外高新技術前沿動態，促進高新技術產業化的發展；科技資訊以市場需求為導向，以高新科技資訊為依托，以平面交流為手段，努力促進我國高新技術成果的商品化、產業化、國際化。科技資訊主要刊登新技術、新材料、新設備、新工藝等方面的科技文獻和最新資訊。

　　主要欄目:高新技術、工程技術、工業技術、建筑科學、IT技術、電子商務、科教平臺、資源與環境、學術論壇、圖書館論壇和科技動態。

　　摘要：隨著隧道、地鐵的廣泛建設，地質條件越來越復雜，對隧道、地鐵施工過程準確三維模擬和分析顯得十分重要。本文介紹了利用大型有限元軟件ANSYS軟件對隧道施工進行三維仿真分析，實現了開挖與支護的仿真模擬，分析了隧道施工過程中巖體應力場和位移場變化情況。

　　關鍵詞：隧道施工,位移場,應力場,三維仿真

　　1.隧道結構的數值計算方法

　　隧道結構的動靜力學計算是一項比較困難的課題。地層巖土介質和隧道結構相互作用過程相當復雜。只有那些具有規則幾何形狀和理想的材料特性，且載荷形式與邊界條件是簡單的線彈性體系，才能得到較為精確的解答。但是，對于非線性巖土體內的連續或不連續介質和任何幾何外形的隧道結構，其力學計算必須借助于近似的數值方法。

　　用于隧道開挖、支護過程的數值分析方法有：有限元法、邊界元法、有限元-邊界元耦合法。

　　有限元法的優點在于可以考慮巖土介質的非均勻性、各項異性、非連續性和材料與幾何非線性等，且能適用于各種實際的邊界條件；缺點在于需要將整個結構系統離散化，進行相應的差值計算，以至于數據量大，精度相對低。

　　邊界元的優越性在于只在所關心問題的邊界上，對于隧洞計算問題，只需對分析對象的邊界做離散處理，而外圍的無限區域則視為無邊界。缺點在于要求分析區域的幾何、物理延續性。

　　有限元-邊界元耦合法使上述兩種方法互為補充，取長補短，實踐證明可以得到較好的計算結果，對于隧道結構主要關心的區域是隧洞附近，可用有限元法：對于外部區域可按均質、線彈性模擬即可，這樣對襯砌結構的計算可以得到很好的計算性。

　　2.隧道施工過程模擬的ANSYS實現原理

　　2.1初始地應力的考慮

　　在ANSYS中有兩種方法可以用來模擬初始地應力：

　　（1）只考慮巖體的自重應力，忽略其結構應力，在分析的第一步，首先計算巖體的自重應力場。這種方法的不足之處在于計算出的應力場與實際應力場有偏差，而且巖體在自重作用下還產生了初始位移，在繼續分析后續施工時，得到的位移結果是累加的初始位移的結果，而現實中初始位移早就結束，對隧洞的開挖沒有影響，因此在后面的每個施工階段分析位移場，需要減去初始位移場。

　　（2）在進行結構分析時，ANSYS中可以使用輸入文件把初始應力指定為一種載荷，因此當具有實測的初始地應力資料時，可將初始地應力寫成初應力載荷文件，然后讀入做為載荷文件，就可以直接進行第一步的開挖計算，所得應力場和位移場就是開挖后的實際應力場和位移場，無需進行加減。

　　2.2開挖與支護的實現

　　在ANSYS中可以采用單元生死技術來實現材料的消除與添加，對于隧道的開挖與支護，采用此項技術即可有效的實現開挖與支護過程模擬。殺死單元時，ANSYS程序將對死去的單元的剛度矩陣乘以一個非常小的數，并從總質量矩陣消去單元的質量來體現“單元的死”，同時無活性的載荷（壓力、熱應變等）被設置為零。

　　隧道開挖時，可直接選擇將被挖掉的單元，然后將其殺死以實現開挖的模擬。增加支護時，可首先將相應支護部分在開挖時被殺死的單元激活，單元被激活時具有零應變狀態。

　　此外，單元的生死狀態可以根據ANSYS來計算結果（如應力，應變）來決定，在模擬過程，可以將超過許用應力或許用應變得單元殺死，來模擬圍巖或結構的破壞。

　　2.3連續施工的實現

　　ANSYS程序中的荷載功能可以實現不同工況間的連續計算，可以有效地模擬隧道的連續施工過程。首先建立整個有限元模型，包括將來要被殺死（挖去）和激活（支護）的部分，模擬過程無需重新劃分網格。在前一個施工完成后，可直接進行下一道工序的施工，即殺死新單元、激活老單元，再求解，重復步驟直至施工結束。

　　3.隧道施工過程模擬實例

　　3.1仿真計算模型及參數

　　圖2-1所示的是某隧道圍巖計算模型的斷面示意圖，考慮圣維南原理，取周圍巖土的尺寸為隧道尺寸的5~6倍。由于隧道工程結構屬于細長結構物，即隧道的橫斷面現對于縱向長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發生位移。

　　圖3.1-1斷面圖

　　材料性能：圍巖巖體彈性模量E=2.5e8，泊松比v=0.32，密度p=2200；錨桿加固巖體彈性模量E=3e8，泊松比v=0.3，密度p=2300，厚度h=2；襯砌單元彈性模量E=2.8e10，泊松比v=0.2，密度p=2600，厚度h=0.4。單位：m、N、s、kg、Pa

　　Ansys仿真分析中單元選取：SOLID45單元用于模擬圍巖巖體結構和錨桿加固巖體結構，SHELL63單元用于模擬襯砌結構。三維模型如右圖2：

　　3.2仿真分析成果

　　仿真過程計算步驟如下：

　　第一步，初應力場和初位移場計算；第二步，開挖后支護前應力場和位移場計算；第三步，支護后應力場和位移場計算。

　　3.2.1應力場變化情況

　　由等效應力圖3、圖4、圖5知隧道開挖前應力為0.35MPa左右；開挖后支護前洞身周圍的應力為0.69MPa左右，增幅為97%；支護后洞身周圍的應力為0.47MPa左右，減幅為22%；

　　3.2.2位移場變化情況

　　由等效位移圖6、圖7、圖8知隧道開挖前地表位移為43.4mm左右；開挖后支護前洞身周圍的地表位移為47.1mm左右，增幅為8.5%；支護后洞身周圍的地表位移為48.1mm左右，增幅為2.1%；

　　4.結束語

　　隧道開挖是一個三維力學問題,本文分析了隧道施工中巖體應力場和位移場變化情況,利用通用有限元程序ANSYS軟件，綜合考慮了土體分層、土體與支護體系作用以及巖體自身的非線性行為,并結合劉陽河隧道工程實際,對施工過程進行了動態仿真模擬。通過計算得到了施工過程中周圍土體的位移場、應力場及地表土體的變形規律,并與實測數據進行比較,計算值和實測值吻合良好,表明本文提出的三維有限元模擬隧道施工的方法是可行的。

　　通過上述數據知隧道開挖后對巖體的擾動大，巖體應力釋放后仍有很大的殘余應力，洞體周圍的應力比開挖前增加了97%，支護后隧道周圍土體的應力比開挖后減少22%，支護后巖體位移明顯減小并趨于穩定。因此在施工過程中應遵循“短進尺、弱爆破、勤支護、早封閉”的施工原則。

　　參考文獻：

　　[1]王元漢，李麗娟，李銀平.有限元法基礎與程序設計.廣州：華南理工大學出版社,2001.

　　[2]王敏強,陳勝宏.盾構推進隧道結構三維非線性有限元仿真.巖石力學與工程學報,2002.

　　[3]ItoT,HisatakeK.隧道掘進引起的三維地面沉降分析[J].隧道譯叢,1985.

　　[4]LeeKM,RoweRK.Finiteelementmodelingofthethree-dimensionalgrounddeformationsduetotunnelinginsoncohesivesoils:pantI-methodofanalysis[J].ComputersandGeotechnics,1990.

　　[5]祝效華,余志祥.ANSYS高級工程有限元分析范例精選.北京：電子工業出版社，2004.