基于ADINA对矩形断面隧道进行数值分析

【摘 要】运用ADINA软件，对某矩形断面隧道的开挖进行数值模拟，分析隧道施工过程中围岩应力变化、围岩的位移情况，同时结合有限元软件ADINA对隧道开挖过程进行模拟，寻求围岩应力分布规律，分析围岩稳定性。

【关键词】隧道；开挖；ADINA

引 言

近年我国经济保持较快速地增长，交通问题也日益严重，很多城市为了改善交通现状，都在积极地在建地铁。然而隧道断面形状不可避免的受到各种各样的工程活动的影响，隧道断面形状的多样性。目前我们常采用断面形状有矩形、拱形、圆形、椭圆形等。笔者就某城市地区一个毗邻地铁隧道的实际工程背景，采用二维有限元分析方法，应用通用非线性有限元软件ADINA，对其进行模拟分析，为设计和施工提供依据。

1、工程概况

某隧道设计为分离式独立双洞，设计隧道路面标高175.24～195.81m，设计净空为12.6×5m。遂址区地层主要为第四系冲洪积（Qal+pl）、残坡积（Qel+dl）覆盖层和下古生界加里东期（PZ13）基岩。第四系冲洪积层（Qal+pl）：主要岩性为卵石、漂石及粉质粘土，岩层变化较大，主要分布于山涧沟谷及小河两侧，通常显带状分布。第四系残坡积（Qel+dl）：广泛分布于山体表层主要岩性为砂质粘性土局部坡脚处为碎、块石。下古生界加里东期（PZ13）基岩：主要有区域变质作用下形成的混合岩（如片麻状花岗岩、花岗片麻岩、石英岩等）组成，岩性接近花岗岩，局部存在侵入岩脉。

2、计算模拟模型

计算模型取隧道中部底端为坐标原点，隧道纵向为Z方向，横向为Y方向，向右为正。隧道断面形状为曲墙带仰拱形式，断面尺寸为12.6m×10.5m，根据隧道开挖影响范围的大小，取上下、左右分别距隧道洞幅外三倍直径范围。数值模型范围为50m×40m，该模型侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，材料破坏准则采用莫尔-库仑模型。

3、隧道开挖模拟过程

土工结构（包括隧道开挖与支护体系）的内力和变形往往和其建造过程有密切关系。在分析土工结构的内力和变形时，有必要模拟其建造过程。用有限元法模拟开挖和建造过程时，较为简便的做法是对施工过程中的最大区域来划分有限元网格。必要时关闭某些单元以形成体系的初始状态，之后再通过单元生死来模拟开挖与建造的过程。

表1 模拟的计算力学参数

4、计算结果分析

全断面开挖后隧道结构的应力场特征通过数值模拟分析，计算获得隧道结构各主应力云图特征。全断面开挖法开挖将使隧道最大主应力的最大值达到3.294MPa；且拱顶下沉最大达到50.11。最重要的是拱顶有很大范围的大应力，一旦拱顶出现某个小部位的塌方，很快就会蔓延到整个拱顶，这将很容易造成大面积塌方。所以就结构受力条件而言，应力分布是很差的，可能导致结构体局部发生破坏甚至会引起隧道局部塌方，影响其正常的施工状态。因此需要改变开挖方式，加强支护，增加监控量测的频率等措施。

5、结论

通过对隧道开挖的数值模拟分析结果可以看出，隧道围岩中应力、位移变形，产生塑性区的范围都存在着不同程度的差异。由于隧道结构及岩土介质的高度非线性，因此，随着施工进程的变化，结构的性状也在不断发生变化，在整个力学过程中己不服从叠加原理，而且力学性质与开挖过程密切相关。只有考虑施工过程才能准确反映隧道施工过程中围岩和结构的应变、应力状态，准确的预估隧道变形。

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