国家重点项目南水北调西线工程目前尚处于项目建议书阶段,其中的隧洞占输水线路总长的94%,是西线输水线路的关键性工程。准确模拟隧洞围岩与支护结构的变形、应力特点,了解开挖后隧洞围岩的稳定性和支护结构的可靠性,对整个西线工程具有重要的现实意义。本文系统介绍了隧洞围岩稳定性和衬砌结构设计分析的发展现状与分析理论,基于ANSYS软件研究建立了西线隧洞的弹塑性仿真模型,进行了实际工程分析研究,并提出了新的衬砌设计模型。具体内容如下: 1.对地下隧洞工程中非线性问题的原理和有限元软件ANSYS在隧洞工程分析中的部分关键技术进行了研究探讨。 2.对西线隧洞工程中的典型洞段研究建立了深埋长隧洞二维、三维弹塑性数值仿真模型。通过初应力场模拟、初应力释放率研究、衬砌支护时机确定等工作,对未来西线隧洞工程的施工进行了仿真分析,计算结果符合一般规律。 3.研究采用了不同的地质条件和衬砌参数,应用ANSYS软件分别对围岩及衬砌结构进行参数敏感性分析,详细研究了参数变化对围岩应力、变形和塑性区范围的影响,以及对衬砌变形和内力的影响,从不同方面深入研究了影响围岩稳定和支护稳定的因素。研究方法和研究成果为西线及其他隧洞工程的设计分析提供了有实用价值的参考依据。 4.综合已有衬砌结构的计算设计模型与方法,结合ANSYS软件自身的特点进行二次开发,将衬砌设计研究中流行的修正惯用法和梁—弹簧模型进行了优化结合,提出了新的分析模型,并对新的模型进行了计算验证,研究成果合理,对工程设计具有一定的参考价值。