摘要：本文通过对云南某浅埋隧道开挖进行了三维模拟分析研究，分别计算了该浅埋隧道围岩在x、y方向的位移，锚杆支护应力变化、隧道围岩应力应变等情况计算分析，对指导工程实践具有一定的指导意义。
关键词：浅埋隧道、三维模拟ANSYS
中图分类号：U45 文献标识码：A文章编号：
Abstract:In this paper analysis of a shallow tunnel by three-dimensional simulation in Yunnan,calculation of the displacement in x、y direction、the stress ofbolt supportthe stress-strain.it will play a certain refence guide for the engineering practice.
Key words: shallow tunnel； Three-dimensional simulation and analysis、ANSYS
1前沿
浅埋隧道开挖过程中由于岩土体物质被挖出，必然会引起地表沉降及相应的地表损失，主要是由于地层损失和在新的应力状态下土层及围岩应力的重分布，使地表、拱顶、围岩产生相应的变形收敛。不可避免将会引起围岩地表的变形、塌陷、应力重分布。为了避免潜在的不安全因素，结合隧道开挖现状及各区域物理力学参数特性，对该浅埋隧道开挖利用ANSYS计算软件进行模拟分析研究，旨在指导工程实际。
2ANSYS软件分析问题流程
ANSYS软件解决工程问题首先是定义材料类型、建立几何模型、划分网格施加边界条件、力或位移的加载，最后求解分析计算结果。利用ANSYS分析问题的流程如图1―1所示：
图1-1 ANSYS计算模型的流程图
3隧道开挖模拟计算
本文以云南某浅埋隧道为研究对象，其尺寸分别为径跨16m，宽15米，净高为8米，有效净高为5米的双线马蹄形隧道。最大埋深为40米，最浅埋深为10.5米。计算长度取为100m。隧道计算选用的物理力学参数如表1所示。
表1隧道各区域的物理力学参数
3.1围岩地表变形与应力分析
（1）地表下沉量的模拟计算
隧道围岩地表的变形主要受到开挖扰动、地层损失、剪切破坏固结及断面收缩的影响。模拟开挖方式分为三种：先开挖左隧道、先开挖右隧道或者左右隧道同时开挖。地表下沉量仅附同时开挖时的计算结果，分别开挖至20米处及100米处的沉降量如图2及3所示、三种开挖方式下地表的下沉量如图4所示。
图2开挖至20米处的沉降量 图3开挖至100米处的沉降量
图4 三种开挖方式地表的下沉量（mm）
从稳定性而言，先开挖左线隧道较为合理。但由于三种开挖方式下地表变形的差别很小，即对于双线隧道，如果两隧道的间距相隔较远，开挖对左右隧道的影响区域不会重叠，所以三种工况对围岩地表的总变形沉降量相差不大。
（2）围岩的水平位移
围岩地表的水平变形见图5、6所示，每开挖20米地表围岩的水平位移见表2所示。
图5 开挖至20米围岩水平变形 图6开挖至100米围岩水平变形
表2 地表围岩的水平位移
可以得出：在隧道中心线两侧地表产生了指向隧道中心轴线方向的变形。地表沉降是在隧道中心线两侧地表产生了向中心轴线的倾斜变形，且沉降量最大，总的来看，地表水平位移的变形量要小于地表的竖直沉降量。
隧道围岩的水平变形有压缩、拉伸两种变形形式。拉伸变形对地表围岩的破坏作用大，但过量的压缩作用将使构筑物发生挤碎性的破坏。通过计算可得沿x正向发生了压缩变形，沿x反方向主要表现为拉伸变形。
开挖引起地表围岩的变形主要与左右隧道中心线之间的距离、隧道的埋深有关，当两隧道中心之间的水平距离L大于隧道中心与地表面距离H时，将在中心连线的垂直轴线位置产生最大的沉降量，地表沉降槽为单峰形态。对于浅埋隧道由于上覆围岩埋深较浅，在开挖的过程中地表围岩受到的扰动较大，地层损失相对也较大。
3.2围岩塑性应变分析
随着开挖进尺的推进，当开挖至20m及100m处时，该浅埋隧道围岩塑性应变的计算结果见图7、8所示，开挖至不同距离处围岩塑性应变最大值变化值见图9所示。
可以看出开挖几乎不会产生围岩的塑性变形，说明隧道围岩基本处于弹性变形阶段。塑性应变仅分布在围岩的底部区域。进而说明隧道埋深、开挖距离对隧道围岩的塑性区有一定的影响。
当应力重分布超过围岩强度时是发生塑性应变的主要原因。围岩拉应力达到了抗拉强度，局部区域的剪应力达到了围岩的抗剪强度。从隧道围岩的塑性区分布形式，可以确定本隧道整体结构是稳定的。
图7 开挖至20m围岩塑性应变云图 图8 开挖至100m围岩塑性应变云图
图9开挖至不同距离处围岩塑性应变最大值变化图
3.3锚杆加固的应力应变
该浅埋隧道锚杆支护是将金属制成的锚栓装置插入岩层中，然后用水泥砂浆固定。锚杆加固各阶段的第一主应力变化如图10至11所示，各开挖阶段锚杆加固区域第一主应力变化值见图12所示。
（1）锚杆加固的第一主应力
图10开挖至 20米锚杆第一主应力图11开挖至100米锚杆第一主应力
图12 各开挖阶段锚杆加固区域第一主应力变化值
（2）锚杆加固的第三主应力
锚杆加固各阶段的第三主应变化如图13至14所示，各开挖阶段锚杆加固区域第三主应力变化值见图15所示。
图13至20米锚杆第三主应力 图14 至 100米处锚杆第三主应力
图15锚杆加固各开挖阶段第三主应力变化值
锚杆支护约束着隧道地表沉降及变形，对隧道周围围岩起着组合、联结和整体加固的作用。锚杆加固可以有效防止地层产生过大的扰动，防止围岩地表产生较大的沉降。通过计算可得锚杆两侧受力均为压力，而在锚杆顶部受力为拉力，锚杆的存在约束了围岩的变形。
4小结
通过模拟计算该浅埋隧道随着开挖进尺的推移，在支护、无支护、或者只开挖一侧时的沉降变形量、开挖对围岩塑性变形的影响，锚杆加固的应力变化等情况。最后与相应的标准进行比较得出：在支护、未支护三种开挖工况下，地表围岩的沉降变形量均未超过工程开挖一般的沉降控制标准。目前世界各国一般把地表沉降的控制在30mm～50mm的标准[2]。参考钢结构设计规范，锚杆区域的第一主应力及第三主应力计算结果均未超过相应规范允许的应力变化范围。
参考文献：
[1]博嘉科技编著. 有限元分析软件ANSYS融汇与贯通[M]．北京：水利水电出版社，2002.1
[2]吕勤, 张顶立. 城市地铁暗挖施工地层变形机理及控制实践[J].中国安全科学报。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。