基于有限元模型的城市地下隧道施工邊坡支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新研究

徐文勝

(武漢華中科大檢測科技有限公司,湖北 武漢 430074)

在城市化發(fā)展迅速的背景下,城市地鐵以及地下隧道空間工程的建設(shè)逐漸增加[1-2]。因此,在城市地下隧道的施工中,減少對周邊環(huán)境的影響,確保施工成效與施工安全性[3-4],對地下隧道施工研究具有重要意義[5-6]。為保證地下隧道的施工效果和安全,主要針對復(fù)雜地質(zhì)條件下CRD法施工技術(shù)對地下隧道的施工效果[7],但該方法在應(yīng)用過程中,邊坡仍然會(huì)發(fā)生一定滑坡。為保證隧道的施工效率和效益,研究基于SDW法的隧道施工技術(shù)[8],但該方法在應(yīng)用過程中,如果工程周邊存在其他構(gòu)筑物時(shí),則該施工方法仍然會(huì)發(fā)生一定沉降,且以上施工方法可能會(huì)涉及大量的土方開挖和支護(hù)操作,增加了土方開挖量。

因此,針對城市地下隧道施工需求以及存在的問題,提出基于邊坡開挖支護(hù)技術(shù)的城市地下隧道施工方法。邊坡開挖支護(hù)技術(shù)是在建設(shè)開挖過程中,通過加固、防護(hù)等手段,以確保周圍的環(huán)境安全。采用ADINA有限元軟件構(gòu)建邊坡有限元模型,可以更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際的地下隧道施工情況,從而提供可靠的分析結(jié)果。通過多面體計(jì)算方法,可以對邊坡位移和隧道變形進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算和分析,從而為隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。在邊坡開挖支護(hù)過程中,分析邊坡受力、沉降和位移等情況是非常重要的,可以幫助工程師進(jìn)行合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工控制。

1 城市地下隧道施工邊坡支護(hù)技術(shù)

1.1 工程概況

研究以某地區(qū)全長為12.6 km的城市地下隧道作為研究實(shí)際工程,該隧道的入口上方有一條次干道通過,在整個(gè)隧道工程中,土建工程的第V段的里程為K10+850～K12+180,全長1 550 m,主要包含U型槽段、明挖段和暗挖段。其中,淺埋暗挖段下穿該城市中3條主要交通流量較大的交通道路,同時(shí)地下管線布設(shè)較多,環(huán)境較為復(fù)雜[9],且鄰靠其他大型建筑物區(qū)。由于該隧道臨近建筑物區(qū),因此在進(jìn)行開挖施工過程中,對于施工產(chǎn)生的地面沉降和變形有一定的控制標(biāo)準(zhǔn)和要求[10]。

1.2 邊坡開挖支護(hù)技術(shù)

在開挖過程中,邊坡以1∶1的坡率放坡,邊坡上部分主要采用槽鋼樁和鉆孔樁2種支護(hù),施工過程中支護(hù)安裝數(shù)量為3排,長度為12 m,縱向和橫向的間隔均為2.5 m,布置方式呈梅花型;下部分支護(hù)主要以噴射混凝土為主,且厚度為C20,放坡坡率與上部分一致。

在進(jìn)行隧道施工之前,需要對復(fù)雜的地質(zhì)條件展開深入的分析,選擇所提施工技術(shù),以確保施工安全,提高隧道工程的質(zhì)量,因此要進(jìn)行分布開挖。其整體可分為2個(gè)部分,分為槽鋼樁+內(nèi)支撐支護(hù)和鉆孔樁+內(nèi)支撐支護(hù)。在整個(gè)施工過程中,應(yīng)及時(shí)完成開挖面的封閉處理,避免發(fā)生長時(shí)間暴露,導(dǎo)致土體膨脹,以此發(fā)生塌方。

1.3 有限元模型

1.3.1邊坡有限元模型

采用ADINA有限元軟件構(gòu)建城市地下隧道邊坡有限元模型,對地下隧道邊坡進(jìn)行物理行為仿真。ADINA是一款用于工程分析和仿真的有限元軟件。它提供了廣泛的分析能力,包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。ADINA支持多個(gè)物理場的耦合分析,可以同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)等多個(gè)因素,能夠全面模擬實(shí)際工程中的復(fù)雜物理行為。因此,ADINA的多物理場分析能力可以考慮邊坡開挖支護(hù)過程中的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)、土體的變形和沉降、地下水的滲流等多個(gè)因素,全面模擬邊坡的物理行為。由于研究地下隧道施工方法,需要了解隧道在受力作用下的空間位移和變形情況。因此,建立有限元模型,用來對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形特點(diǎn)和隧道的變形進(jìn)行分析[11-12]。該模型在構(gòu)建過程中,以M-C屈服準(zhǔn)則為基礎(chǔ)。M-C屈服準(zhǔn)則,也稱為Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,是用于描述巖土材料破壞行為的一種常用準(zhǔn)則,是巖土工程中常用的材料強(qiáng)度模型,可以用于對土體和巖石等材料進(jìn)行強(qiáng)度分析和穩(wěn)定性評估。通過確定合適的內(nèi)聚力和摩擦角值,可以預(yù)測材料在實(shí)際工程中的破壞情況,并為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。基于M-C屈服準(zhǔn)則,采用六面體進(jìn)行數(shù)值仿真,得到相應(yīng)有限元模型,如圖1所示。

圖1 城市地下隧道邊坡有限元模型

在該模型中,使用Shell和Cable單元對混凝土、二次襯砌和支護(hù)樁進(jìn)行模擬,由線彈性準(zhǔn)則表達(dá)其力學(xué)性能[13]。為保證邊坡有限元模型的應(yīng)用效果,結(jié)合實(shí)際地質(zhì)勘測結(jié)果設(shè)定土體相關(guān)物理性能參數(shù)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù),分別如表1和表2所示。

表1 土體相關(guān)物理性能參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)

1.3.2邊坡位移計(jì)算

有限元在構(gòu)建邊坡模型時(shí),采用多面體完成模擬。多面體模擬方式是一種在有限元分析中常用的模擬技術(shù),它基于多面體元素來離散和表示仿真模型。多面體模擬方式通過將物體或結(jié)構(gòu)分解為許多三維的多面體元素,以近似描述其幾何形狀和物理行為。在多面體模擬方式中,每個(gè)多面體元素由一系列相鄰的節(jié)點(diǎn)組成,這些節(jié)點(diǎn)的位置和連接確定了多面體的形狀。多面體元素可以是任意多邊形,例如三角形、四邊形、五邊形等,甚至可以是不規(guī)則的幾何形狀。多面體模擬方式通常使用更簡單的元素,如四面體(tetrahedron)或六面體(hexahedron)。多面體可以更準(zhǔn)確地描述邊坡的三維幾何形狀,特別適用于復(fù)雜的邊坡結(jié)構(gòu)。通過將邊坡離散為多面體元素,可以更精確地捕捉到邊坡的細(xì)節(jié)和形狀變化,提高了模型的幾何準(zhǔn)確性。利用多面體可以更精確地計(jì)算邊坡的位移和變形。由于多面體具有較好的連續(xù)性和柔性,它們能夠更準(zhǔn)確地模擬邊坡的應(yīng)力和變形分布,提供更可靠的數(shù)值解。因此,模型在進(jìn)行邊坡位移分析時(shí)[14],結(jié)合該情況,采用差分公式完成多面體的數(shù)值計(jì)算,獲取多面體的應(yīng)變張量ξij,其計(jì)算公式為:

(1)

多面體的應(yīng)力增量Δσij計(jì)算公式為:

(2)

(3)

式中:ρ表示傳遞系數(shù);bi表示應(yīng)力。

(4)

式中:t表示時(shí)間。

1.3.3隧道變形計(jì)算

當(dāng)進(jìn)行邊坡開挖時(shí),由于土壤受到外界的限制和約束,在邊坡土體內(nèi)部會(huì)形成較大的應(yīng)力。這些應(yīng)力是由于土體的重力、水壓、土體間的摩擦、建筑物或支護(hù)結(jié)構(gòu)對土體的限制等因素所引起的。這種較大的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致邊坡土體在一定位置出現(xiàn)塑性變形區(qū)[15]。塑性區(qū)是指土體發(fā)生可逆性變形之后,繼續(xù)施加外力使其不能恢復(fù)原狀的區(qū)域。在邊坡開挖過程中,土體受到大的應(yīng)力作用,超過了土體的強(qiáng)度極限,就會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)。在塑性區(qū)域,土體發(fā)生塑性變形,例如產(chǎn)生剪切、扭轉(zhuǎn)、沉降等變形。這些塑性變形會(huì)導(dǎo)致邊坡位移增大,破壞邊坡的穩(wěn)定性,可能引發(fā)邊坡滑動(dòng)、崩落等危險(xiǎn)情況。

如果半徑為r0的隧道可承受的靜水壓力為p0,內(nèi)部支撐壓力為pi。臨界支撐壓力用pγ表示,當(dāng)其小于pi時(shí),隧道周圍的巖體為彈性,此時(shí)隧道向內(nèi)徑向彈性位移uie計(jì)算公式為:

(5)

式中:Em表示楊氏模量;η表示泊松比。

pi如果小于pγ,則隧道會(huì)發(fā)生坍塌,此時(shí)會(huì)發(fā)生塑性破壞,隧道內(nèi)壁向內(nèi)的總徑向位移uψ計(jì)算公式為:

(6)

式中:rψ表示總內(nèi)徑向。

2 試驗(yàn)分析

2.1 位移結(jié)果分析

對所提方法的支護(hù)效果進(jìn)行分析,測試在重力不斷增加情況下,土層在縱橫2個(gè)方向的位移變化,具體如表3所示。其中2個(gè)方向上允許的位移結(jié)果分別低于10 mm和7 mm。

表3 邊坡土層的位移測試結(jié)果

由表3可知,水平方法的最大位移結(jié)果為9.22 mm,垂直方向的最大位移結(jié)果為6.54 mm。因此,采用邊坡開挖支護(hù)技術(shù)進(jìn)行地下隧道施工,應(yīng)用效果較好,能夠有效降低土層位移,保證施工效果。

2.2 沉降分布云圖

沉降觀測可以幫助研究地質(zhì)現(xiàn)象,為分析支護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡的支護(hù)效果,獲取邊坡開挖的沉降分布云圖,可以有效觀察到在重力影響下,支護(hù)前、后,邊坡的沉降情況,如圖2所示。

(a)支護(hù)前

由圖2可知,采用邊坡開支護(hù)技術(shù)后,邊坡開挖施工時(shí)其沉降分布區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)生斷裂應(yīng)力分布。因此,邊坡開挖支護(hù)技術(shù)具有較好的應(yīng)用效果,可極大程度降低沉降發(fā)生,避免對周圍環(huán)境和構(gòu)筑物造成影響。

2.3 剪切應(yīng)變增量云圖

邊坡開挖過程中的安全系數(shù)可通過邊坡的穩(wěn)定性衡量。因此,通過有限元模型對節(jié)點(diǎn)沿著Y方向進(jìn)行約束后,進(jìn)行等效平面應(yīng)力分析,獲取其在該應(yīng)力作用下,剪切應(yīng)變增量結(jié)果。剪切應(yīng)變增量區(qū)域越小、增量分布越均勻,表示穩(wěn)定性越佳,即安全系數(shù)更高。測試結(jié)果如圖3所示。

(a)支護(hù)前

由圖3可知,采用對邊坡開挖進(jìn)行支護(hù)技術(shù)保護(hù)后,邊坡在等效應(yīng)力下,剪切應(yīng)變顯著降低,增量分布范圍減小,最大剪切應(yīng)變結(jié)果在1.854 e+01～2.006 e+01,并且分布的均勻性提升。

3 結(jié)語

城市地下隧道在施工工程中,邊坡開挖時(shí),極容易發(fā)生土層沉降以及位移等情況,因此,對邊坡開挖采取一定的支護(hù)技術(shù),是保證邊坡穩(wěn)定、隧道安全施工的前提。因此,提出基于邊坡開挖支護(hù)技術(shù)的城市地下隧道施工方法,并且對該方法的應(yīng)用效果進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)和分析。結(jié)果顯示,所研究的隧道施工方法,應(yīng)用效果較好,可有效避免邊坡開挖后發(fā)生位移,可以有效減小土層的沉降量,且大大提高邊坡的平穩(wěn)性,確保隧道的施工安全。