基于ANSYS的地鐵施工三維仿真模擬及分析

周可璋 周 浩 盧寧 何中聯(lián) 王偉

【摘要】在地鐵施工過(guò)程中，由于地質(zhì)環(huán)境具有很強(qiáng)的不確定性和模糊性，以及隧道圍巖錯(cuò)綜復(fù)雜的變化，開挖方式的多樣化，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地采用一種本構(gòu)模型對(duì)地鐵開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，因此迫切地需要一種方法對(duì)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的可靠性進(jìn)行有效的模擬和評(píng)價(jià)。本文通過(guò)采用大型通用有限元ANSYS軟件對(duì)地鐵隧道開挖進(jìn)行三維仿真及分析，以此來(lái)判斷施工方法選擇的合理性、圍巖的穩(wěn)定性以及支護(hù)參數(shù)能否滿足設(shè)計(jì)要求，用來(lái)驗(yàn)證施工方案的可行性，為地鐵的設(shè)計(jì)與施工提供參考依據(jù)，為工程規(guī)劃決策者提供依據(jù)和指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】城市地鐵;開挖施工;仿真模擬;有限元分析

目前，在世界各國(guó)的城市地鐵施工中，由于地質(zhì)環(huán)境具有很強(qiáng)的不確定性和模糊性，隧道圍巖錯(cuò)綜復(fù)雜的變化，開挖方式的多樣性，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地采用一種本構(gòu)模型對(duì)地鐵開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，因此迫切地需要一種恰當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)地鐵隧道進(jìn)行有效的模擬研究。目前，地鐵隧道模擬研究的方法有物理實(shí)驗(yàn)方法、工程類比方法和數(shù)值模擬方法。物理實(shí)驗(yàn)方法費(fèi)用高，時(shí)間長(zhǎng)，工程類比方法由于劃分比較粗糙，與實(shí)際有時(shí)差距較大。因而，有限元數(shù)值分析方法是目前地鐵隧道研究的一種非常經(jīng)濟(jì)的方法。本文主要介紹采用大型通用有限元ANSYS軟件進(jìn)行地鐵隧道開挖三維仿真分析的全過(guò)程，以此來(lái)判斷施工方法選擇的合理

性、圍巖的穩(wěn)定性以及支護(hù)參數(shù)能否滿足設(shè)計(jì)要求。在地鐵施工過(guò)程中進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析能夠驗(yàn)證施工方案的可行性，為地鐵安全穩(wěn)定的施工進(jìn)行服務(wù)，為工程規(guī)劃決策者提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1??地鐵情況概述

1.1??地鐵工程概況

某市地鐵工程線路總長(zhǎng)度67.62公里，地鐵工程估算總投資287.38億元，采用礦山法暗挖施工的區(qū)間37個(gè)，采用盾構(gòu)法施工的區(qū)間9個(gè)。本標(biāo)段設(shè)計(jì)范圍為A站、B站以及與之連接的兩條區(qū)間隧道工程，起訖里程為DK6+044.469～DK7+355.129，本標(biāo)段全長(zhǎng)1310.66米。

1.2??地鐵平面設(shè)計(jì)

地鐵A站全長(zhǎng)182.2m，采用PBA（洞柱法）工法施工，兩端各設(shè)置一處風(fēng)井及風(fēng)道，在施工期間作為施工豎井及橫通道使用。從兩端對(duì)向開挖車站主體結(jié)構(gòu)，在中間位置實(shí)現(xiàn)貫通。車站設(shè)置四個(gè)出入口，其中兩個(gè)預(yù)留接口與后期地面建筑共同開發(fā)。

A站～B站區(qū)間隧道全長(zhǎng)556雙線米，基本沿Z路下方穿行，需要下穿一處長(zhǎng)約370m的地下購(gòu)物長(zhǎng)廊及一處8*5m暗渠。

圖1??地鐵A站平面圖Fig.1??Metro?Station?A?Plan

1.3??地鐵橫斷面設(shè)計(jì)

本場(chǎng)區(qū)地面現(xiàn)況路處起伏較小，中部低，兩端高，地面高程在14.83～17.21m之間。隧道最大覆土厚度18.09m，最小覆土厚度14.82m。

車站采用四導(dǎo)洞開挖，上層三個(gè)，下層一個(gè)。導(dǎo)洞開挖尺寸為5.6*5.6m，格柵鋼架+網(wǎng)噴混凝土支護(hù)形式，上臺(tái)階拱腳處設(shè)置兩根鎖腳錨管，控制沉降變形量。

圖2??A站橫斷面設(shè)計(jì)圖Fig.2??Station?A?Longitudinal?design

圖3??A站～B站區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面橫斷面設(shè)計(jì)圖Fig.3??Station?A～Station?B?Longitudinal?design

1.4??工程地質(zhì)概況

在地形地貌及地層結(jié)構(gòu)方面，場(chǎng)區(qū)整體上看中部低，兩端高。地面高程14.83～17.21米。場(chǎng)區(qū)地貌為坡殘積臺(tái)地?？辈焐疃确秶鷥?nèi)的地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、第四系沖洪積層（Q4al+pl）、震旦系五行山群長(zhǎng)嶺子組（Zwhc）鈣質(zhì)板巖、板巖及碎裂巖、并有中生代燕山期輝綠巖（βμ）侵入。

在水文地質(zhì)特征方面，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)地表河流經(jīng)過(guò)。沿線地下水類型主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水、地下水主要賦存于第四紀(jì)地層的孔隙中和基巖裂隙中。由于地層的滲透性差異，基巖中的水略具承壓性，基巖裂隙發(fā)育，孔隙水與裂隙水局部具連通性。巖石富水性和透水性與節(jié)理裂隙發(fā)育情況關(guān)系緊密，節(jié)理裂隙發(fā)育的不均勻性導(dǎo)致其富水性和透水性也不均勻。

在巖土工程分析與評(píng)價(jià)方面，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，區(qū)間場(chǎng)地類別為Ⅱ類，部分區(qū)段圍巖不穩(wěn)定，易坍塌，應(yīng)采取輔助施工措施。

1.5??隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)段為雙線雙洞布置，馬蹄形斷面，開挖尺寸為6.0m*6.2m，采用礦山法施工。各類襯砌施工方案如下：

Z1襯砌：適用于Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)斷面，采用上下臺(tái)階方法開挖，系統(tǒng)錨桿加掛鋼筋網(wǎng)噴射砼支護(hù)，拱部打設(shè)系統(tǒng)砂漿錨桿，φ22@1000x1000mm，周圈掛鋼筋網(wǎng)φ6@150X150mm，噴射混凝土150mm。

Z2襯砌：適用于Ⅳ級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)斷面穿越建（構(gòu)）筑物段，采用上下臺(tái)階方法開挖，拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管為φ42@300，L=3000mm，外插角15°，每榀格柵打設(shè)一環(huán)。格柵鋼架+噴錨支護(hù)，初支厚度250mm，格柵間距750mm;鋼格柵由四根φ25鋼筋焊接而成。開挖掌子面一次循環(huán)進(jìn)尺500mm～1000mm，及時(shí)噴射混凝土封閉，盡量減少圍巖暴露時(shí)間。

2??地鐵施工方法介紹

根據(jù)隧道穿越的不同地質(zhì)狀況，隧道結(jié)構(gòu)主要位于中風(fēng)化板巖及輝綠巖中，圍巖級(jí)別分別為Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)。根據(jù)圍巖特性及隧道覆土厚度以及周邊環(huán)境特征，對(duì)明挖、盾構(gòu)以及礦山法暗挖進(jìn)行深入分析比較，礦山法因其技術(shù)及工藝簡(jiǎn)單，適用斷面靈活，無(wú)需大型機(jī)械等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在地鐵建設(shè)中大量采用，并取得了成功，同時(shí)也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。本區(qū)間采用礦山法施工。

施工中應(yīng)嚴(yán)格遵循短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)的原則，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺和爆破震動(dòng)速度，確保安全施工。其施工過(guò)程如圖4所示。

圖4??開挖順序示意圖Fig.4??Excavation?diagram

3??有限元建模

3.1??計(jì)算模型

采用大型有限元計(jì)算軟件?ANSYS?進(jìn)行隧道開挖的3D模擬數(shù)值分析。由于隧道及地下工程結(jié)構(gòu)都屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面相對(duì)于縱向的長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移。所以隧道力學(xué)分析可以采用彈性理論中的平面應(yīng)變模型進(jìn)行。

圖5??計(jì)算斷面地層及隧道有限元模型圖Fig.5??Finite?element?model?of?Figure

3.2??計(jì)算參數(shù)

計(jì)算的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1??隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)Table?1??Design?of?structural?parameters?of?the?tunnel

初期支護(hù)

二次襯砌

噴射混凝土

錨桿

模筑混凝土

標(biāo)號(hào)

厚度（cm）

直徑（mm）

長(zhǎng)度（m）

間距（m）

標(biāo)號(hào)

拱厚度（cm）

邊墻厚度（cm）

仰拱厚度（cm）

200

10

20

2

1.2

300

30

30

鋪底10

3.3??計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)，選用ANSYA有限元軟件進(jìn)行了位移、應(yīng)力及應(yīng)變分析，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行強(qiáng)度和變形的驗(yàn)算，以此來(lái)判斷施工方法選擇的合理性、圍巖的穩(wěn)定性以及支護(hù)參數(shù)能否滿足設(shè)計(jì)要求，用來(lái)驗(yàn)證施工方案的可行性。

（1）?變形分析

地鐵開挖后圍巖位移變形過(guò)程反映了圍巖應(yīng)力重分布的過(guò)程，此過(guò)程從隧道開挖到圍巖變形穩(wěn)定，過(guò)程持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和變形值的大小直接反映隧道開挖后圍巖重分布應(yīng)力狀態(tài)。從圖6可以看出，最大的變形量為0.942mm，按照規(guī)范，完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6??位移等直線圖Fig.6??components?of?displacement

（2）?應(yīng)力分析

從圖7、圖8、圖9可以看出，最大壓應(yīng)力為6.68MPa，混凝土最大拉應(yīng)力為-1.31MPa。從《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，可以查出C30混凝土的抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為14.30MPa，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.43MPa，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力都未超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)度要求。

圖7??應(yīng)力分量圖

Fig.7??components?of?stress

圖8??應(yīng)變分量圖

Fig.8??components?of?strain

圖9??主應(yīng)變分量圖

Fig.9??components?of?principal?strain

4??結(jié)論

通過(guò)大型有限元計(jì)算軟件ANSYS?模擬隧道開挖和支護(hù)，能夠在開挖過(guò)程中對(duì)隧道的變形和應(yīng)力狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的描述及預(yù)判，從而便于制定開挖和支護(hù)方案，能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工，節(jié)省大量成本，ANSYS能夠?yàn)樗淼朗┕た刂铺峁┹^為可靠的手段和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]?陶振宇.試論巖石力學(xué)的最新進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，?1992，（02）

[2]?尹光志，鮮學(xué)福，許江，王宏圖.巖石細(xì)觀斷裂過(guò)程的分叉與混沌特征[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），?2000，（02）

[3]?孫井林.利用ANSYS?軟件模擬施工隧道開挖[J].甘肅科技，2003，29（6）

[4]?姜勇，朱合華.巖石偏壓隧道動(dòng)態(tài)分析及相關(guān)研究[J].地下空間，?2004，（03）

陳建樺.ANSYS二次開發(fā)功能及其在地下結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，?2004，（03）?.

[5]?陳權(quán)，王秋生.用ANSYS模擬巖土開挖的兩種計(jì)算方法[J].甘肅科技，?2005，（05）

[6]?周榮祥，王秋生.用ANSYS模擬巖土開挖的兩種方法[J].甘肅科技，?2005，（10）

[7]?[12]?吳曉，周星元.如何在ANSYS中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)邊界條件的加載[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，?2005，（05）

[8]?王良，劉元雪.軟弱圍巖隧道開挖的有限元模擬[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，?2005，（08）

[9]?管海濤，鄧榮貴，孫冬麗.隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模擬分析[J].四川建筑，?2005，（06）

[10]?元松，張顯安.基于ANSYS的高速公路隧道設(shè)計(jì)與開挖過(guò)程仿真分析[J].湖南交通科技，?2006，（04）

[11]?王齊林，陳靜曦，柯鵬振.基于ANSYS的鐵路隧道開挖過(guò)程三維仿真分析[J].巖土工程界，?2007，（01）