目前,有限元方法在隧道工程分析中用的越来越多,以往已有较多的研究成果。但大多数的有限元数值模拟中很少考虑混凝土衬砌与围岩之间的接触,对接触特点随时间的变化规律研究的研究成果仍然为数不多。目前,国内外在隧道工程设计中,常常依照经验模拟拟定出相应的开挖方法与支护参数,这种方法简单粗略,且不够科学。以往的有限元分析考虑开挖进尺、开挖台阶长度的影响较少,考虑时间效应的研究结果较少。因此,尚有必要对隧洞开挖问题作进一步的研究和讨论。 首先,采用弹塑性有限元方法,对隧洞开挖与支护进行模拟,通过对支护进行结构变参数分析,研究了衬砌与围岩接触面的摩擦系数、衬砌厚度、围岩岩性、侧压力系数、埋深对衬砌轴力和弯矩、位移的影响,来分析隧道支护的力学性能。其次,进行了衬砌支护时间对衬砌受力状态的影响分析。第三,对围岩与混凝土衬砌之间的接触特点随时间的变化规律进行初步研究,进一步了解隧道支护的作用机理。第四,采用三维弹塑性有限元,对隧道开挖的横截面、纵向不同开挖方式、不同进尺、不同台阶进行了分析。通过工程实例进行数值分析,对计算结果与实测结果进行比较,主要结论如下: 1、接触面摩擦系数对各关键点的位移影响很小,对衬砌弯距和轴力影响较大,为以后有限元分析以及隧道合理设计与施工提供参考。 2、对隧道的衬砌支护时间进行了分析,隧道开挖后要适时地加以支护,延长设置衬砌时间对圆形隧道衬砌的轴力的影响较小,对马蹄形隧道衬砌的轴力的影响却较大。 3、喷混凝土衬砌与围岩之间的接触压力、接触剪力和相对位移与时间的关系可以用指数或双曲线函数关系来表达,可为理论研究和实际工程提供参考。 4、对隧道开挖的横截面、纵向不同开挖方式、不同进尺、不同台阶进行了分析,说明适当增加开挖进尺对控制开挖面附近的围岩收敛变形和塑性区范围有利,对控制混凝土的受拉破坏明显有利。采用短台阶施工对围岩收敛变形和塑性区范围控制是有利的,为隧道合理设计与施工提供参考。 5、通过对工程实例进行数值分析,与实测结果比较吻合,验证了本文所用方法和模型的合理性。