Autodesk Simulation在隧道计算的应用研究

李 明房 昕孙雪娇

（1.吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118；2.南京工业大学交通学院，江苏 南京 210009）

Autodesk Simulation在隧道计算的应用研究

李 明1，2房 昕1孙雪娇1

（1.吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118；2.南京工业大学交通学院，江苏 南京 210009）

随着计算机的发展，有限元软件的应用越来越广泛。在限元软件Autodesk Simulation中，建立隧道与周围岩体的二维模型，设定初始条件，进行仿真分析。得到以下结论：隧道整体结构的变形位移在底板处产生最大值，最大值为0.214689m；拱顶位移相对较小，其值为0.0135542m，两侧直墙部分位移方向均指向隧道内部，位移大小为0.0032619m，拱脚和两侧直墙与底板连接部位易产生应力集中现象，拱脚部分应力较大，最大值为441496N。

公路隧道；Autodesk Simulation；仿真分析

在过去山区和丘陵地区公路工程中，多以盘山公路和山体切坡深挖等方式为主。该方式占用了大量的耕地，而且能耗比较高，安全隐患多，对生态环境的破坏非常大。修建公路隧道可以保护环境，缩短两地路程，避免大坡道，节省交通用时；又避免了滑坡、落石和泥石流等自然灾害的隐患。公路隧道的施工以新奥法为主，该方法是以喷射混凝土和锚杆的有机结合作为隧道主要的支护手段。相比于理论计算方法，借助有限元软件可以减短设计周期，减少成本。本文借助有限元软件Autodesk Simulation建立隧道与周围岩体的二维模型，设定初始条件，进行仿真分析，分析结构变形情况。

1 有限元软件建模

根据某高速公路隧道建立物理模型，该隧道设计时速为120km/h，建筑限界最小宽度为11.5m，建筑限界高度为5m，围岩级别为Ⅲ，S=3，岩石重度γ=23kN/m3，初期支护喷射混凝土喷层厚度为100mm，二次衬砌的混凝土厚度为350mm，隧道开挖跨度为B=12.4m，直墙部分高5.5m。根据现行公路隧道设计规范计算围岩压力，得出隧道围岩的竖向均布压力q=70.38kN/m2，水平压力e=10.56kN/m2，岩石的弹性模量为E=8.66GPa，泊松比μ=0.28。

1.1 建模

为了简化计算，作出假设：（1）假定岩体为均质连续体，不考虑岩体中节理裂隙产状和发育状态；（2）不考虑施工过程中的爆破影响；（3）地层各层之间界面假定为水平面；（4）忽略地质构造应力，用自重应力场来代表初始地应力场；（5）不考虑超前辅助施工支护对围岩应力场的影响；（6）不考虑地下水的影响。

处于岩层中的隧道洞室，沿长度方向上的应力不变，可将其看成平面应变问题，所以将隧道结构的计算进行结构简化，据此建立二维模型。分别建立直墙、拱底和拱顶模型，依据起点和终点坐标形式建立直线，采用三点圆弧法建立隧道物理模型。

1.2 材料定义

设定材料密度ρ=2.3kg/m3，弹性模量Ε=8.66GPa，材料的泊松比μ=0.28。

1.3 添加约束和施加荷载

对模型施加荷载和约束，将直墙拱底、上部拱与直墙连接处施加Tx、Tz和Ry方向的约束，并限制拱和直墙其他节点处Tz、Rx和Ry方向的位移。并施加拱顶沿负Y方向的均布力70.38kN/m2，左右两侧直墙分别沿X正方向和负方向的均布力10.56kN/m2。至此，模型建立完成，如图1所示。

图1 二维模型

图2 位移沿Y方向的位移分量

图3 位移沿X方向的位移分量

图4 反作用力云图

2 仿真分析

经过线性分析，可以得到位移分布云图和力的分布云图。其中，底板跨中位置位移值较大，最大值沿Y轴正向，其值为0.214689m，拱顶位移值相对较小，大小为0.0135542m，方向向下，如图2所示。直墙部分位移方向均指向隧道内部（沿X方向），其值为0.0032619m，如图3所示。

在承受围岩压力时，隧道拱圈对围岩压力施加反作用力，由反作用力云图（图4）可知，拱脚部位和直墙与底板连接部位易产生应力集中现象，且由图中可以看出拱脚部位的反作用力最大，最大值为441496N，方向指向隧道外侧。

结语

本文通过有限元仿真分析，得出以下几点结论：

（1）结构变形以竖向位移为主，在底板位置产生的竖向位移最大，数值为0.214689m，沿Y轴正向，拱顶位移相对较小，其值为0.0135542m，两侧直墙部分位移方向均指向隧道内部，位移大小为0.0032619m，拱脚和两侧直墙与底板连接部位易产生应力集中现象，拱脚部分应力较大，最大值为441496N。施工中应适当采取仰拱，抵抗过大的竖向变形，引起底部隆起；直墙主要承受水平围岩压力，其竖向位移远小于底板。可见竖向围岩压力是影响结构变形的主要因素。

（2）结构在墙脚部位的内力，特别是弯矩值很大，有应力集中现象，建议工程实际中加厚此处衬砌厚度或墙脚转角处做成圆滑的过度曲线以减少应力集中。拱圈弯矩比较小，可以适当减少衬砌的尺寸，以达到经济要求。

（3）隧道及其周围围岩主要处于受压状态，只在拱圈加固区域和墙脚区域出现小范围的受拉区。对于拱圈建议设计时合理采用锚杆加固，以减少其在Y方向的变形量。

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U451+.5

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李明（1981-），男，吉林长春，讲师，博士后在站，主要研究方向：地下空间开发利用，地质灾害评估与治理，E-mail：20542053@qq.com。

房昕（1987-），女，吉林松原，讲师，博士，主要从事地质工程和城市地下空间的科研工作，E-mail：396221751@qq.com。

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目，项目编号：吉教科合字[2014]第513号。