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摘要：随着隧道、地铁的广泛建设，地质条件越来越复杂，对隧道、地铁施工过程准确三维模拟和分析显得十分重要。本文介绍了利用大型有限元软件ANSYS软件对隧道施工进行三维仿真分析，实现了开挖与支护的仿真模拟，分析了隧道施工过程中岩体应力场和位移场变化情况。
关键词：隧道施工,位移场,应力场,三维仿真
1.隧道结构的数值计算方法
隧道结构的动静力学计算是一项比较困难的课题。地层岩土介质和隧道结构相互作用过程相当复杂。只有那些具有规则几何形状和理想的材料特性，且载荷形式与边界条件是简单的线弹性体系，才能得到较为精确的解答。但是，对于非线性岩土体内的连续或不连续介质和任何几何外形的隧道结构，其力学计算必须借助于近似的数值方法。
用于隧道开挖、支护过程的数值分析方法有：有限元法、边界元法、有限元-边界元耦合法。
有限元法的优点在于可以考虑岩土介质的非均匀性、各项异性、非连续性和材料与几何非线性等，且能适用于各种实际的边界条件；缺点在于需要将整个结构系统离散化，进行相应的差值计算，以至于数据量大，精度相对低。
边界元的优越性在于只在所关心问题的边界上，对于隧洞计算问题，只需对分析对象的边界做离散处理，而外围的无限区域则视为无边界。缺点在于要求分析区域的几何、物理延续性。
有限元-边界元耦合法使上述两种方法互为补充，取长补短，实践证明可以得到较好的计算结果，对于隧道结构主要关心的区域是隧洞附近，可用有限元法：对于外部区域可按均质、线弹性模拟即可，这样对衬砌结构的计算可以得到很好的计算性。
2.隧道施工过程模拟的ANSYS实现原理
2.1初始地应力的考虑
在ANSYS中有两种方法可以用来模拟初始地应力：
（1）只考虑岩体的自重应力，忽略其结构应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自重应力场。这种方法的不足之处在于计算出的应力场与实际应力场有偏差，而且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析后续施工时，得到的位移结果是累加的初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧洞的开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场，需要减去初始位移场。
（2）在进行结构分析时，ANSYS中可以使用输入文件把初始应力指定为一种载荷，因此当具有实测的初始地应力资料时，可将初始地应力写成初应力载荷文件，然后读入做为载荷文件，就可以直接进行第一步的开挖计算，所得应力场和位移场就是开挖后的实际应力场和位移场，无需进行加减。
2.2开挖与支护的实现
在ANSYS中可以采用单元生死技术来实现材料的消除与添加，对于隧道的开挖与支护，采用此项技术即可有效的实现开挖与支护过程模拟。杀死单元时，ANSYS程序将对死去的单元的刚度矩阵乘以一个非常小的数，并从总质量矩阵消去单元的质量来体现“单元的死”，同时无活性的载荷（压力、热应变等）被设置为零。
隧道开挖时，可直接选择将被挖掉的单元，然后将其杀死以实现开挖的模拟。增加支护时，可首先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活，单元被激活时具有零应变状态。
此外，单元的生死状态可以根据ANSYS来计算结果（如应力，应变）来决定，在模拟过程，可以将超过许用应力或许用应变得单元杀死，来模拟围岩或结构的破坏。
2.3连续施工的实现
ANSYS程序中的荷载功能可以实现不同工况间的连续计算，可以有效地模拟隧道的连续施工过程。首先建立整个有限元模型，包括将来要被杀死（挖去）和激活（支护）的部分，模拟过程无需重新划分网格。在前一个施工完成后，可直接进行下一道工序的施工，即杀死新单元、激活老单元，再求解，重复步骤直至施工结束。
3.隧道施工过程模拟实例
3.1仿真计算模型及参数
图2-1所示的是某隧道围岩计算模型的断面示意图，考虑圣维南原理，取周围岩土的尺寸为隧道尺寸的5~6倍。由于隧道工程结构属于细长结构物，即隧道的横断面现对于纵向长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移。
图3.1-1断面图
材料性能：围岩岩体弹性模量E=2.5e8，泊松比v=0.32，密度p=2200；锚杆加固岩体弹性模量E=3e8，泊松比v=0.3，密度p=2300，厚度h=2；衬砌单元弹性模量E=2.8e10，泊松比v=0.2，密度p=2600，厚度h=0.4。单位：m、N、s、kg、Pa
Ansys仿真分析中单元选取：SOLID45单元用于模拟围岩岩体结构和锚杆加固岩体结构，SHELL63单元用于模拟衬砌结构。三维模型如右图2：
3.2仿真分析成果
仿真过程计算步骤如下：
第一步，初应力场和初位移场计算；第二步，开挖后支护前应力场和位移场计算；第三步，支护后应力场和位移场计算。
3.2.1应力场变化情况
由等效应力图3、图4、图5知隧道开挖前应力为0.35MPa左右；开挖后支护前洞身周围的应力为0.69MPa左右，增幅为97%；支护后洞身周围的应力为0.47MPa左右，减幅为22%；
3.2.2位移场变化情况
由等效位移图6、图7、图8知隧道开挖前地表位移为43.4mm左右；开挖后支护前洞身周围的地表位移为47.1mm左右，增幅为8.5%；支护后洞身周围的地表位移为48.1mm左右，增幅为2.1%；
4.结束语
隧道开挖是一个三维力学问题,本文分析了隧道施工中岩体应力场和位移场变化情况,利用通用有限元程序ANSYS软件，综合考虑了土体分层、土体与支护体系作用以及岩体自身的非线性行为,并结合刘阳河隧道工程实际,对施工过程进行了动态仿真模拟。通过计算得到了施工过程中周围土体的位移场、应力场及地表土体的变形规律,并与实测数据进行比较,计算值和实测值吻合良好,表明本文提出的三维有限元模拟隧道施工的方法是可行的。
通过上述数据知隧道开挖后对岩体的扰动大，岩体应力释放后仍有很大的残余应力，洞体周围的应力比开挖前增加了97%，支护后隧道周围土体的应力比开挖后减少22%，支护后岩体位移明显减小并趋于稳定。因此在施工过程中应遵循“短进尺、弱爆破、勤支护、早封闭”的施工原则。
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