暗挖地鐵區(qū)間隧道異形空間結(jié)構(gòu)仿真分析

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)在交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域取得了令人注目的成就。尤其是近些年來，由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，越來越多的人不斷涌入城市，城市人口數(shù)量逐漸增多，交通工具普遍被使用，這使得我國(guó)大部分城市變得越來越來?yè)矶拢粸榱烁淖冞@種現(xiàn)狀，引入地下空間開發(fā)技術(shù)，將地面上的部分設(shè)施轉(zhuǎn)移到地下，建設(shè)地鐵軌道交通成為21世紀(jì)我國(guó)交通發(fā)展的主要趨勢(shì)。

目前，地鐵的建設(shè)在我國(guó)得到快速發(fā)展，同時(shí)，它所體現(xiàn)出來的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的；一方面顯示了國(guó)家綜合國(guó)力和科技水平，另一方面極大地解決了一、二線城市的交通擁堵現(xiàn)象，方便人們的生活出行，隨著我國(guó)城市地鐵交通軌道數(shù)量的不斷增加和水利水電在西部大開發(fā)中的大力發(fā)展，引水隧洞的修建隨即大量涌現(xiàn)，為了考慮到城市地下空間的利用率，不可避免將出現(xiàn)新建隧道臨近既有建筑物或構(gòu)筑物施工的現(xiàn)象。在國(guó)外，如日本新建的Tozai地鐵線與既有的Keishin地鐵線就采用了四孔麻花型線路方案；意大利的瑞士高速公路在穿越米蘭城時(shí)，從水平平行過渡到垂直平行的雙車道雙隧道型式等。可見，在21世紀(jì)地下空間大力發(fā)展的年代，諸如小凈距平行隧道、上下交叉隧道、重疊隧道以及兩相交隧道周期施工現(xiàn)象將會(huì)不可避免地大量出現(xiàn)。

1 地質(zhì)分析

貴陽(yáng)市處于喀斯特的地理環(huán)境中，其地質(zhì)構(gòu)造較平原地區(qū)的地質(zhì)要復(fù)雜得多，地下軌道交通的建設(shè)往往離不開地質(zhì)的勘察。為了充分了解該區(qū)間的地理構(gòu)造，通過大量查閱有關(guān)該區(qū)間的巖土文獻(xiàn)和勘察報(bào)告得知，該區(qū)間的地質(zhì)分布主要為：素填土，紅黏土和泥質(zhì)白云巖。紅黏土在該區(qū)間的南側(cè)分布最廣泛，但均位于車站隧道主體結(jié)構(gòu)及附屬通道結(jié)構(gòu)頂板之上，對(duì)隧道施工安全影響較小，只對(duì)1號(hào)風(fēng)道豎井施工有一定的安全影響。其次，在該區(qū)間紅黏土的下層主要分布的是化泥質(zhì)白云巖，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖又位于基巖頂部，所以該段巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)能力差，在對(duì)主體區(qū)間隧道和輔洞的開挖施工中影響較大。

2 技術(shù)難點(diǎn)

①泥質(zhì)白云巖屬于軟質(zhì)的巖體之一，在受到巖溶，層理及裂隙等影響下，力學(xué)行為變化規(guī)律不明確，穩(wěn)定性差。區(qū)間主體隧道和輔洞均位于泥質(zhì)白云巖層，因此，在對(duì)主隧道和輔洞開挖施工時(shí)，側(cè)壁和拱頂很容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌的隱患。

②該區(qū)間位于貴陽(yáng)市區(qū)內(nèi)，周圍有大量已修建的建筑物，如大型的建筑物有：貴州三環(huán)機(jī)械廠和貴州省腫瘤醫(yī)院，如何在進(jìn)行相交隧道施工中控制好地面的沉降，以防對(duì)臨近建筑造成影響，是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

③相交隧道處的力學(xué)行為變化復(fù)雜，兩隧道之間的相互影響較大，加上巖體的穩(wěn)定性差，相交隧道處的受力分析，支護(hù)措施和施工工序尚處于經(jīng)驗(yàn)積累階段，缺乏一定的文獻(xiàn)參考。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型假定

為簡(jiǎn)化模型的計(jì)算，對(duì)本次模型采取以下幾個(gè)方面的簡(jiǎn)化：

①考慮到貴陽(yáng)處于低地震區(qū)，在模型的施工模擬中不考慮地震的作用。

②在模型計(jì)算中，初始地應(yīng)力只考慮巖體和既有結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力，不考慮地下水的影響；忽略巖土體構(gòu)造應(yīng)力，使巖土體在自重作用下達(dá)到平衡，而后進(jìn)行隧道開挖。

③模型的數(shù)值計(jì)算中支護(hù)結(jié)構(gòu)為彈性材料，計(jì)算范圍為彈性線性計(jì)算。

④為簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算過程中不考慮塑性區(qū)、物理力學(xué)參數(shù)粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比的變化，該模型假設(shè)為理想彈性圍巖。

3.2 模型建立

3.2.1 計(jì)算范圍的選取

本文采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，由區(qū)間主隧道和輔洞的建設(shè)關(guān)系可以建立模型，但出于考慮到實(shí)際位置關(guān)系過于復(fù)雜，因此在不影響大致計(jì)算結(jié)果的前提下，在建模過程中進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化的平面圖如圖1所示。

圖1 模型簡(jiǎn)化平面圖

隧道與地鐵區(qū)間主隧道成90°正交，為了使軟件的計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際的工程求解問題，計(jì)算范圍取：沿隧道縱向取50m，橫向取50m，深度方向從地面到埋深45m。計(jì)算模型取區(qū)間主隧道中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，隧道縱向?yàn)閆軸方向，向外為正；橫向?yàn)閄軸向，向右為正；上下為Y軸向，向上為正；模型縱向長(zhǎng)度50m。隧道模型為半拱形隧道，跨徑為9m，埋深15m；在使用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬中，支護(hù)結(jié)構(gòu)選用shell63單元類型模擬，實(shí)體圍巖結(jié)構(gòu)采用solid45單元模擬，應(yīng)用ANSYS軟件建立空間模型如圖2所示。

圖2 ANSYS空間模型圖

3.2.2 邊界條件

本次建立的模型邊界條件主要采用施加位移約束的方法。在左右面上對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)施加X方向的位移約束，在前后面上對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)施加Z方向的位移約束，在底面上對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)施加Y方向的位移約束，由于上表面是自由面，所以不對(duì)上表面施加任何的位移約束。

3.2.3 巖體參數(shù)見表1

表1 巖體參數(shù)

3.2.4 網(wǎng)格劃分

模型因考慮到相交處曲面的網(wǎng)格劃分，全部采用四面體單元來進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。單元?jiǎng)澐中螤钜妶D3。

圖3 模型單元網(wǎng)格劃分

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文主旨基于ANSYS軟件對(duì)地鐵相交隧道的施工工序的數(shù)值仿真研究，首先分析出在初始應(yīng)力下圍巖的沉降變形；其次對(duì)支隧道開挖后，主區(qū)間隧道的圍巖沉降、應(yīng)力變化以及支隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力規(guī)律；最后模擬當(dāng)主區(qū)間隧道施工開挖結(jié)束后，主區(qū)間隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降和內(nèi)力變化、支隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化以及兩隧道在相交處的沉降和內(nèi)力變化。通過數(shù)值計(jì)算圖形數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出相交隧道在各階段施工時(shí)內(nèi)力和沉降位移，從而對(duì)各階段施工做好維護(hù)支撐，防止隧道在后期發(fā)生開裂和坍塌的工程事故。

3.3.1 初始重力下的位移和應(yīng)力

圍巖在初始重力下Y軸方向上產(chǎn)生的位移情況。由ANSYS軟件計(jì)算得到在未開挖隧道時(shí)，圍巖產(chǎn)生的位移沉降和應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 初始狀態(tài)Y方向位移

由圖4、圖5的圖形數(shù)據(jù)可知，在初始重力下，圍巖產(chǎn)生的最大沉降位移發(fā)生在路面上，其值為16.9mm，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1.18MPa，應(yīng)力的最大位置為圍巖的底部。

圖5 初始狀態(tài)Y方向應(yīng)力

3.3.2 輔洞開挖后的豎向位移和應(yīng)力分布

在對(duì)地鐵相交隧道進(jìn)行數(shù)值動(dòng)態(tài)模擬的過程中，采取先對(duì)輔洞施工開挖，在進(jìn)行主體區(qū)間隧道的施工開挖。輔洞開挖完后，通過內(nèi)力云圖圖6可以看出，地層相對(duì)于初始重力下已經(jīng)發(fā)生了較大的沉降位移，并且對(duì)隧道周圍的巖體產(chǎn)生很大的影響，而這在施工過程中可能會(huì)使地鐵車站周邊的建筑物發(fā)生一定的沉降。從中可以看出輔洞開挖完后，圍巖的最大沉降位移為17.85mm，相對(duì)于原來下降0.95mm。

圖6 輔洞開挖后周圍巖體沉降位移

圍巖由于在受人為的干擾后，本身結(jié)構(gòu)的變化將引起巖體周圍的內(nèi)力分布發(fā)生改變，在本次的數(shù)值模擬施工工序計(jì)算中，從圖7中可以看出，輔洞在開挖后，其拱頂?shù)淖畲蟮刃?yīng)力為2.76MPa，拱頂圍巖的最小等效應(yīng)力為0.92MPa，隧道底部的最大等效應(yīng)力為8.27MPa，主要發(fā)生在隧道的兩底端。考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)所用C30的混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.43MPa，所以支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖施工過程中處于安全狀態(tài)。

圖7 輔洞開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力圖

3.3.3 主區(qū)間隧道開挖的結(jié)果分析

①區(qū)間隧道開挖圍巖的應(yīng)力分析。

因主隧道與輔洞相互連通，在區(qū)間主隧道開挖施工完后，自身的圍巖將發(fā)生變化，同時(shí)也會(huì)影響到已經(jīng)開挖好的輔洞。通過ANSYS的模擬施工計(jì)算中得出（計(jì)算結(jié)果見圖8），區(qū)間主隧道的拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為1.57MPa，拱腳的最大等效為14.2MPa，其主要分布在兩隨帶的相交處，并且達(dá)到了C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此在對(duì)相交處施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)圍巖的支護(hù)。

圖8 區(qū)間主隧道開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力圖

②沉降位移分析。

區(qū)間主隧道在開挖后，不僅自身圍巖將會(huì)發(fā)生沉降，而且對(duì)于周圍和輔洞均會(huì)產(chǎn)生較大的影響，在圖9中和圖10中，主隧道經(jīng)過施工開挖后，主隧道和輔洞的拱頂沉降為16.7mm，開挖施工前，輔洞的拱頂沉降位移為14.9mm。由此可知主隧道的開挖施工使得輔洞沉降不斷增加，另外由位移云圖可以知道，距離相交處越近，沉降越大。

圖9 主隧道開挖后位移圖

圖10 主隧道開挖前位移圖

4 結(jié)論

本文以貴陽(yáng)市地鐵區(qū)間隧道工程為依托，通過有限元軟件ANSYS對(duì)區(qū)間主隧道和輔洞在施工工序方面進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下的幾點(diǎn)結(jié)論：

由于泥質(zhì)白云巖圍巖自穩(wěn)定性較差的特性，當(dāng)?shù)罔F隧道開挖施工時(shí)，隧道圍巖的沉降較大，應(yīng)在施工期間加強(qiáng)好支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐，防止圍巖的坍塌。另外由于沉降波及面較大，在施工時(shí)應(yīng)做好周圍巖體的沉降監(jiān)測(cè)。

兩相交隧道的應(yīng)力集中主要發(fā)生在隧道相交處，最大等效應(yīng)力達(dá)到C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，在相交處的支護(hù)結(jié)構(gòu)需要增加鋼筋的用量，且使用更高強(qiáng)的混凝土。

數(shù)值結(jié)構(gòu)表明，主隧道的施工會(huì)造成輔洞的沉降位移增加，距離相交處越近，沉降越大，因此在施工過程中，應(yīng)控制好主隧道施工對(duì)輔洞沉降的影響。