基于BIM與FE技術的鐵路隧道上跨結構開挖研究

劉沛，葉明珠，趙國強，田明陽，曾昊

（中鐵二院工程集團有限責任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

近年來，隨著數字化技術的飛速發展，我國軌道交通行業在數字化、智能化領域開辟了新的天地，BIM技術應用成為新時代鐵路工程設計階段不可或缺的環節。因此，基于BIM平臺，研究和探索BIM技術與傳統設計高度結合的“BIM+”技術，作為新時代鐵路工程BIM設計的高效、直觀配套輔助技術，是當代軌道交通行業設計階段的重要任務之一［1-5］。

目前，鐵路隧道工程正逐步實現其BIM正向設計，但大多設計任務是以隧道本身所攜帶的工程信息與結構展示為BIM設計重點，忽略了隧道在施工開挖過程中自身結構性能的優劣，尤其是設計有結構復雜且開挖部位相互影響的上跨橫通道的隧道。另外，現有通過二維斷面計算設計隧道洞身的安全性，不能從空間角度直觀展示與隧道正洞洞身關聯的附屬洞室對正洞的動態影響過程，因此，借助具備工程參數信息的BIM模型，結合傳統三維非線性大變形有限元（Finite Element，FE）設計理論，以BIM+FE技術可在隧道BIM正向設計過程中即時對設計的三維數字化成果進行仿真計算校核，并針對不滿足規范或設計要求的隧道結構及時進行結構優化。以某鐵路正洞洞室及其救援站上跨橫通道的BIM設計模型為研究對象，利用有限元方法，采用HyperMesh和ANSYS14.5軟件分階段研究在開挖隧道上跨橫通道的動態過程中，對處于其下方且已經完工的隧道正洞洞身產生的影響是否滿足正洞隧道設計規范的強度和變形要求，以保證隧道正洞結構設計的安全性和可靠性。

1 隧道BIM+FE模型建立

BIM模型作為計算分析的基礎模型，根據圣維南原理，在創建過程中應選取包絡隧道正洞洞身、上跨橫通道全部結構的區間，建立上述結構及地質體的全尺寸BIM模型，以保證實際施工狀態與計算模型的一致性。FE仿真計算模型的創建應遵循“兼顧全部，局部細化”的原則將BIM模型離散成高階實體單元，以提高仿真結果的準確度和計算效率。

1.1 隧道正洞及上跨橫通道BIM模型

選取某高速鐵路隧道正洞及其救援站上跨橫通道為研究對象，建立隧道及其上跨橫通道BIM模型［6］。其中正洞為雙線洞室，模型長度為200 m，上跨橫通道為單車道救援洞室，模型長度為100 m，橫通道與正洞正交且垂向最小凈距為0.6 m。為了真實反映橫通道開挖過程中隧道洞身周圍地質體對隧道洞身產生的內力狀態，創建包絡所有隧道洞身的地質體塊BIM模型，尺寸為200 m×200 m×200 m。最終隧道及其上跨橫通道與地質體BIM模型見圖1。

圖1 隧道及其上跨橫通道與地質體BIM模型

1.2 隧道與地質體FE模型

基于隧道及其上跨橫通道與地質體BIM模型，利用HyperMesh創建基于ANSYS14.5的隧道與地質體FE模型［7］，主洞結構由51 000個正六面體SOLID186高階三維20節點固體結構實體單元組成，且厚度方向分3層，以滿足積分原則，上跨橫通道由8 385個正六面體SOLID186實體單元組成，整個地質體由5 820 438個SOLID186實體單元組成，地質體與主洞間采用非線性接觸傳力的面面接觸方法模擬，即在兩者之間設置面面接觸對，以防止接觸面相互滲透。根據所選隧道段地質的圍巖等級和TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［8］，對離散后的結構附加相應物理參數，模型主要材料基本物理參數見表1，隧道洞身襯砌C60鋼筋混凝土的軸心抗壓極限為40 MPa，最終FE計算模型見圖2。

表1 隧道主要部位材料基本物理參數

圖2 隧道與地質體有限元模型

2 開挖過程邊界條件及評定準則

2.1 開挖階段劃分與邊界條件設置

主要研究在開挖上跨橫通道過程中，對處于其下方且已經完工的隧道主洞產生的影響是否超過既有隧道的強度和變形要求。為了更精準反映開挖過程，根據開挖過程對隧道正洞的影響程度，將上跨橫通道開挖進程分成4個階段（見圖3）。

圖3 上跨橫通道施工進程

（1）第1階段：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道開挖之前。本階段用以計算橫通道開挖之前正洞洞室在地質體壓力和自身重力作用下的結構應力狀態和變形狀態。

（2）第2階段：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道掘進至正洞正上方。本階段用以計算橫通道掘進至正洞正上方時，在地質體壓力、自身重力作用及橫通道掘進至正上方時的正洞洞身結構應力狀態和變形狀態。

（3）第3階段：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道掘進至越過正洞洞身。本階段用以計算橫通道掘進至越過正洞洞身時，在地質體壓力、自身重力作用及橫通道掘進至越過正洞洞身后的正洞洞身結構應力狀態和變形狀態。

（4）第4階段（最終）：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道開挖完畢。本階段用以計算橫通道開挖完畢時，在地質體壓力、自身重力作用及橫通道開挖完成后的正洞洞身結構應力狀態和變形狀態。

基于上述4個開挖階段，將整個仿真計算過程分為4個載荷步，并采用ANSYS的生死單元模擬挖掉的過程，即每施工完成1段，則將該段巖土“殺死”，而后進行下一階段的仿真計算［9-12］。計算過程中，整個FE模型約束施加情況見圖4，其中對地質體塊X方向2個面、Y方向2個面施加對稱約束，Z方向底面施加三自由度全約束，計算環境設置重力加速度。

圖4 計算模型邊界條件

2.2 仿真計算評定準則

在上跨橫通道開挖過程仿真計算中，任何1種工況均需滿足節點等效應力的強度準則和變形量控制的規范要求，具體如下：

（1）在上跨橫通道開挖過程中，正洞主要處于多軸應力狀態，對于斷裂延伸率A≥6%的材料由von_Mises等效應力進行評估；如果材料的斷裂延伸率A＜6%，由絕對值最大的主應力進行評估。模型中所有材料的斷裂延伸率均滿足A≥6%的要求，因此該隧道正洞的von_Mises等效應力滿足關系式［13］：

式中：σvon_Mises為節點等效應力；RS為由屈服極限和強度極限確定的許用應力。

（2）對變形量的要求為：拱頂和仰拱的垂向位移不得超過規范要求的預留量，拱腳水平位移量不得超過規范要求的預留量。

3 開挖過程仿真計算與結果分析

根據上跨橫通道在不同開挖階段的工況、載荷步及相應邊界條件，利用ANSYS對創建的FE模型進行仿真求解計算，由于面面接觸對的存在，為更加真實傳遞接觸面處的力，在洞身與地質體間的接觸對設置為拉格朗日非線性接觸算法［14-15］。最終得出在開挖過程不同階段正洞洞身的結構應力狀態和變形狀態。

3.1 上跨橫通道開挖前

上跨橫通道開挖前，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為23.73 MPa，出現在襯砌拱腳內表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞洞身與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為44.42 mm，滿足設計規范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖5、圖6。

圖5 上跨橫通道開挖前正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖6 上跨橫通道開挖前正洞洞身襯砌變形分布

3.2 上跨橫通道掘進至正洞正上方

上跨橫通道掘進至正洞正上方時，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為22.56 MPa，出現在與上跨橫通道正交處襯砌拱腳內表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為42.54 mm，滿足設計規范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖7、圖8。

圖7 上跨橫通道掘進至正洞正上方時正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖8 上跨橫通道掘進至正洞正上方時正洞洞身襯砌變形分布

3.3 上跨橫通道掘進至越過正洞洞身

上跨橫通道掘進至越過正洞洞身后，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為20.83 MPa，出現在與上跨橫通道正交處襯砌拱腳內表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為40.23 mm，滿足設計規范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖9、圖10。

圖9 上跨橫通道掘進至越過正洞洞身后正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖10 上跨橫通道掘進至越過正洞洞身后正洞洞身襯砌變形分布

3.4 上跨橫通道開挖完成后

上跨橫通道開挖完成后，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為20.82 MPa，出現在與上跨橫通道正交處襯砌拱腳內表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為40.20 mm，滿足設計規范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖11、圖12。

圖11 上跨橫通道開挖完成后正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖12 上跨橫通道開挖完成后正洞洞身襯砌變形分布

3.5 上跨橫通道開挖進程計算結果統計

通過對開挖進程4個階段的仿真計算，在正洞與橫通道正交處，選取正洞洞身襯砌、襯砌外表面的應力數值變化和正洞拱頂垂向變形量、拱腳水平變形量作為開挖全過程重點關注指標，其數值變化情況見表2。

表2 開挖進程4個階段中正洞與橫通道正交處相關參數

由表2可知，隨著上跨橫通道開挖進程的推進，正洞與橫通道正交處，洞身襯砌拱腳內表面von_Mises最大應力呈逐漸減小趨勢，開挖前后差值為2.91 MPa；襯砌外表面von_Mises應力呈逐漸減小趨勢，開挖前后差值為4.47 MPa；正洞與橫通道正交處拱頂變形量呈逐漸減小趨勢，開挖前后差值為4.22 mm；正洞與橫通道正交處拱腳水平變形量呈逐漸較小趨勢，開挖前后差值為1.12 mm。

4 結論

以某高速鐵路正洞洞室及其救援站上跨橫通道的BIM模型為研究對象，以BIM+FE技術仿真校核鐵路隧道在其上跨橫通道開挖過程中自身結構的安全性和可靠性。得出如下結論：

（1）在上跨橫通道開挖過程中，隧道正洞洞身襯砌結構的承載能力和變形量滿足相關鐵路隧道設計規范要求。

（2）隨著開挖過程的進行，在正洞與橫通道正交處，正洞洞身襯砌拱腳內表面、襯砌外表面的應力逐漸減小，且始終不超過鋼筋混凝土強度極限，正洞結構設計滿足強度設計要求。

（3）隨著開挖過程的進行，在正洞與橫通道正交處，正洞拱頂垂向變形量逐漸減小，拱腳水平變形量逐漸減小，且均不超過相關鐵路隧道設計規范要求的臨界值。

隨著計算機性能的進步，BIM+FE技術為鐵路隧道正向設計提供了較高精度的校驗手段，進一步開拓了BIM模型的應用范疇。