GEO5隧道有限元分析

　　本隧道工程修建于某褶皱构造的背斜处，隧道顶部的岩土层最小厚度为22m，隧道初始衬砌的厚度为200mm，喷射混凝土型号为C30。隧道拱部采用锚杆支护，锚杆材料为Φ22螺纹钢筋，锚杆长度为4.0m。隧道及围岩结构如图1所示。

图1 隧道及围岩结构示意图

　　本案例采用GEO5岩土工程有限元分析模块进行分析，共分为八个计算工况。

　　在工况阶段「建模」中进行分析设置、添加岩土材料、建立几何模型、设置接触面类型及生成网格等。我们可以将已经建好的隧道模型文件，直接导入到软件之中。成功将地层和隧道模型导入到软件之中以后，在「岩土材料」中添加岩土材料，这里将所有岩土材料的模型均选择Mohr-Coulomb弹塑性模型。岩土材料添加完成以后，在「指定材料」界面中将岩土材料指定给各自对应的岩土层。

图2 指定岩土材料

　　接着在「接触面类型」中定义隧道衬砌和周围岩土体之间的接触面类型，注意将材料模型选择「Mohr-Coulomb模型」。接触面添加完成以后，即可启动网格生成操作。

　　点击进入工况阶段[1]，在本工况中分析地层初始地应力。在「分析」界面中直接点击「开始分析按钮」。

图3 竖向有效应力云图

　　添加工况阶段[2]，在本工况中模拟隧道拱部开挖以后围岩的变形情况。在「激活/冻结分区」中添加新挖方，冻结百分比设置为40%，并将其指定给本工况需要挖除的两个隧道上台阶区域。

图4 上台阶开挖以后围岩竖向位移云图

　　添加工况阶段[3]，在本工况中模拟隧道拱部进行衬砌和锚杆支护以后围岩的变形情况。将「上台阶开挖」挖方再冻结30%，并在「梁」界面中为隧道拱顶添加衬砌和锚杆。因为本工况模拟的是未成熟的混凝土，所以在添加衬砌时注意将混凝土弹性模量和剪切模量分别降低为3000MPa和1200MPa。

图5 添加衬砌与锚杆

图6 拱墙支护以后（混凝土尚未成熟）围岩竖向位移云图

　　添加工况阶段[4]，在本工况中模拟衬砌混凝土成熟（即已经达到设计强度）以后围岩的变形情况。将「上台阶开挖」挖方再冻结30%，即不再考虑围岩的自承能力。在「梁」界面中提高衬砌混凝土的材料强度，将弹性模量和剪切模量分别提高到30000MPa和12000MPa。

图7 衬砌弯矩分布图

　　添加工况阶段[5]，在本工况中模拟隧道下台阶开挖以后围岩及支护的变形情况。在「激活/冻结分区」界面中点击添加新挖方，将冻结百分比设置为40%，并将其指定给本工况需要挖除的两个隧道下台阶区域。

图8 冻结分区

　　添加工况阶段[6]，在本工况中模拟隧道边墙衬砌以后围岩的变形情况。将「下台阶开挖」挖方再冻结30%，并在「梁」界面中为隧道边墙添加衬砌，

图9 添加隧道边墙衬砌

图10 边墙衬砌以后围岩竖向位移云图

　　添加工况阶段[7]，在本工况中模拟隧道边墙衬砌混凝土成熟以后围岩的变形情况。将「下台阶开挖」挖方再冻结30%，并在「梁」界面中提高边墙衬砌混凝土的材料强度。

图11 初次支护以后衬砌弯矩分布

图12 初次支护以后衬砌法向变形