1.地层变形模拟
在模型上施加边界条件、重力荷载并加载原始地应力场，在Y方向的重力加速度设为“10”，所得到的地层变形图见图8-5。从图8-5中可看出，开挖前地层变动整体的趋势是向下的，最大位移值为2.05cm。
2.开挖前的位移和应力分析
隧道开挖前，在重力荷载和边界约束的条件下，X、Y方向的位移等值线云图见图8-6。主应力等值线云图见图8-7。
由图8-6可知，隧道开挖前，X方向上的位移很小，最大值仅为0.26cm，而Y方向上的位移，从地表处的2.91cm逐渐向下变小到0.32cm。由图8-7可知，应力的变化自上而下逐渐变大，最大值为1.56MPa。
图8-5 地层变形图
3.开挖过程模拟
选择模型中要开挖掉的区域的地层单元，将其“杀死”，表示将这部分土体开挖掉，实现开挖的模拟。将相应支护部分在开挖时被“杀死”的单元激活，实现施作支护的模拟。ANSYS单元“生死功能”在杀死或激活单元时，对单元的应力、位移等作了有效处理。
4.计算结果分析
计算结果的位移、应力云图见图8-8～图8-17。
（1）开挖与衬砌过程的位移。
由上述计算得到，开挖过程中各关键点处具体位移值见表8-3、表8-4。
表8-3 各关键点X方向的位移 （单位：cm）
图8-6 开挖前位移等值线云图
图8-7 主应力等值线云图
图8-8 上台阶开挖后X、Y方向位移云图
图8-9 下台阶开挖后X、Y方向位移云图
图8-10 上台阶开挖后应力场云图
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图8-11 下台阶开挖后应力场云图
图8-12 上台阶初期支护结构X、Y方向位移云图
图8-13 下台阶初期支护结构X、Y方向位移云图
图8-14 上台阶初期支护结构应力云图
图8-15 下台阶初期支护结构应力云图
图8-16 二次衬砌后X、Y方向位移云图
图8-17 二次衬砌后应力场云图
表8-4 各关键点Y方向的位移 （单位：cm）
表8-3和表8-4表明，最大水平位移发生在断面的拱脚附近。垂直位移在隧道开挖后发生了较大变化，上台阶开挖后拱顶处位移量达2.51cm，支护后减小0.1cm，下台阶开挖后位移量又有所增加，这是由于随着开挖断面的增大，围岩体应力重新调整的结果，最大值达到2.58cm，而在二次衬砌修筑后减小了0.43cm，这表明二次衬砌对本隧道围岩的变形及水平、竖向上的位移都有良好的限制作用。
（2）开挖过程的应力见表8-5、表8-6。
表8-5 各关键点第一主应力σ1值 （单位：MPa）
表8-6 各关键点第一主应力σ3值 （单位：MPa）
表8-5和表8-6可知，上台阶开挖后，拱脚和两拱腰处于受拉状态，喷锚支护后σ1转为压应力，充分说明了喷锚支护对围岩的支护效果。由表8-6可知，下台阶开挖后拱脚处出现应力集中，主应力值达5.13MPa，拱腰次之，为4.65MPa，拱肩压应力值也较大，为3.10MPa，因此在隧道开挖中应采取相应措施，防止应力集中部位的围岩坍塌。
（3）支护结构的内力见表8-7。
表8-7 内力值表
由表8-7可以看出，上台阶支护完成后，在拱脚部位出现了应力集中现象，此处的弯矩、剪力和轴力值都很大。随着支护与衬砌的进行，弯矩、剪力值变化幅度较大，峰值骤减。边墙及拱脚的轴力值比较大，从支护开始到二次衬砌结束，变化不大。因此，建议在施工过程中，应在拱脚等内力较大的部位打锁角锚杆，并适当加厚此处的衬砌结构。
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