1、基于 ANSYS 的隧道施工过程的模拟实现摘要：伴随着岩土力学的发展和计算机性能的提高，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。本文以工程实例为依托，研究了 ANSYS 有限元分析软件在隧道施工过程中的模拟实现，并着重介绍了起重单元生死的运用，为实际工程应用提供一定参考。 关键词：隧道施工；ANSYS；模拟；单元生死 中图分类号：U45 文献标识码：A 一、前言 为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物统称为地下工程。地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。早在 19 世纪初，地下工程多以砖石材料为衬砌，用木支撑的分部开挖方法进行施工，这种设计的衬砌结构
2、厚度偏大。20 世纪 50 年代，在地下工程的修建中，喷射混凝土和锚杆作为初期支护得到了广泛的应用，这样的柔性支护使开挖后的洞室围岩有一定的变形，围岩内部的应力重新进行分布，但是围岩能够发挥其稳定性，这样可大大减小衬砌结构的设计厚度。 20 世纪 60 年代，随着计算机技术的发展和岩土本构关系的建立，地下工程结构的设计分析进入了以有限元法为主的计算机数值模拟分析时期。 二、单元生死 如果模型中加入（或删除）材料，模型中相应的单元就存在（或消亡） 。单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。要激活“单元死”的效果，ANSYS 并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传到
3、，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子（ESTIF） 。单元的“出生”并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。三、隧道施工工程模拟的 ANSYS 实现 （一）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。 第一种是只考虑岩体的自重应力，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了初始位移的结果，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时，需要减去初始位移场。 第二种是进行结构分析时，ANSYS
4、 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始应力载荷文件，然后读入作为载荷文件，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。 （二）开挖与支护的实现 在 ANSYS 中可以采用单元的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和支护过程的模拟。 隧道开挖时，可直接选择江北挖掉的单元，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 的
5、计算结果（如应力，应变）来决定，在模拟过程中，可以讲超过许用应力或许用应变的单元杀死，来模拟围岩或结构的破坏。 （三）连续施工的实现 ANSYS 程序中的载荷步功能可以实现不同工况间的连续计算，可以优先的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，重复步骤直至施工完成。 四、工程实例应用 （一）问题描述 采用军都山隧道围岩计算模型，考虑圣维南原理，取周围岩土的尺寸为隧道尺寸的 56 倍。隧道开挖假设隧道的深度为 50m，分 10 天挖完，
6、挖去岩土的同时增加支护，不考虑土体的非线性。材料性能为支护的弹性模量 E=3e10，泊松比 v=0.2，密度 =2700；土体的弹性模量E=2.5e8，泊松比 v=0.32，密度 =2200.几何常数：支护厚度 0.4m。外部载荷只考虑自重作用。 （二）建模 ANSYS 单元选取采用 Mesh200 单元用于辅助网格划分，SHELL63 单元用于模拟支护结构，SOLID45 单元用于模拟围岩结构。 建模的基本思路是采用 Mesh200 单元建立支护的线模型和土体的面模型，然后将线模型拉伸为壳模型，将面模型拉伸为体模型。 隧道支护的模型如图 1 所示。整个实体有限元模型如图 2 所示，有限元模型规模为 9020 个节点，8210 个单元。支护、围岩、被挖去岩石的侧面以不同颜色显示，如 3 所示。 图 1 图 2 图 3 （三）加载与结果 将挖去土体并将它杀死的同时，激活支护单元。将每天开挖后计算转台保存为一个载荷文件，然后统一计算。因此整个计算过程应该包括1 个初始地应力计算载荷步和 10 个开挖过程计算载荷步。 参考文献： 1.龚曙光.ANSYS 基础应用及范例解析M.北京:机械工业出版社,2003 2.孙井林.利用 ANSYS 软件模拟施工隧道开挖J.甘肃科技,2003(6) 作者简介： 吴润泽，男， （1993.03） ，安徽五河县，汉，本科，研究方向：桥梁方向。
