基于有限元模型的城市地下隧道施工邊坡支護技術創新研究

徐文勝

(武漢華中科大檢測科技有限公司,湖北 武漢 430074)

在城市化發展迅速的背景下,城市地鐵以及地下隧道空間工程的建設逐漸增加[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,主要針對復雜地質條件下CRD法施工技術對地下隧道的施工效果[7],但該方法在應用過程中,邊坡仍然會發生一定滑坡。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[8],但該方法在應用過程中,如果工程周邊存在其他構筑物時,則該施工方法仍然會發生一定沉降,且以上施工方法可能會涉及大量的土方開挖和支護操作,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技術的城市地下隧道施工方法。邊坡開挖支護技術是在建設開挖過程中,通過加固、防護等手段,以確保周圍的環境安全。采用ADINA有限元軟件構建邊坡有限元模型,可以更準確地模擬實際的地下隧道施工情況,從而提供可靠的分析結果。通過多面體計算方法,可以對邊坡位移和隧道變形進行準確的計算和分析,從而為隧道的支護設計和施工提供參考依據。在邊坡開挖支護過程中,分析邊坡受力、沉降和位移等情況是非常重要的,可以幫助工程師進行合理的支護結構設計和施工控制。

1 城市地下隧道施工邊坡支護技術

1.1 工程概況

研究以某地區全長為12.6 km的城市地下隧道作為研究實際工程,該隧道的入口上方有一條次干道通過,在整個隧道工程中,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,同時地下管線布設較多,環境較為復雜[9],且鄰靠其他大型建筑物區。由于該隧道臨近建筑物區,因此在進行開挖施工過程中,對于施工產生的地面沉降和變形有一定的控制標準和要求[10]。

1.2 邊坡開挖支護技術

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,施工過程中支護安裝數量為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。

在進行隧道施工之前,需要對復雜的地質條件展開深入的分析,選擇所提施工技術,以確保施工安全,提高隧道工程的質量,因此要進行分布開挖。其整體可分為2個部分,分為槽鋼樁+內支撐支護和鉆孔樁+內支撐支護。在整個施工過程中,應及時完成開挖面的封閉處理,避免發生長時間暴露,導致土體膨脹,以此發生塌方。

1.3 有限元模型

1.3.1邊坡有限元模型

采用ADINA有限元軟件構建城市地下隧道邊坡有限元模型,對地下隧道邊坡進行物理行為仿真。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,包括結構力學、熱傳導、流體力學、電磁學等多個領域。ADINA支持多個物理場的耦合分析,可以同時考慮結構的力學響應、熱傳導、流體力學等多個因素,能夠全面模擬實際工程中的復雜物理行為。因此,ADINA的多物理場分析能力可以考慮邊坡開挖支護過程中的結構力學響應、土體的變形和沉降、地下水的滲流等多個因素,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,用來對支護結構的受力與變形特點和隧道的變形進行分析[11-12]。該模型在構建過程中,以M-C屈服準則為基礎。M-C屈服準則,也稱為Mohr-Coulomb屈服準則,是用于描述巖土材料破壞行為的一種常用準則,是巖土工程中常用的材料強度模型,可以用于對土體和巖石等材料進行強度分析和穩定性評估。通過確定合適的內聚力和摩擦角值,可以預測材料在實際工程中的破壞情況,并為工程設計和施工提供參考依據。基于M-C屈服準則,采用六面體進行數值仿真,得到相應有限元模型,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、二次襯砌和支護樁進行模擬,由線彈性準則表達其力學性能[13]。為保證邊坡有限元模型的應用效果,結合實際地質勘測結果設定土體相關物理性能參數以及支護結構的相關參數,分別如表1和表2所示。

表1 土體相關物理性能參數

表2 支護結構的相關參數

1.3.2邊坡位移計算

有限元在構建邊坡模型時,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,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構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,每個多面體元素由一系列相鄰的節點組成,這些節點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)。多面體可以更準確地描述邊坡的三維幾何形狀,特別適用于復雜的邊坡結構。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節和形狀變化,提高了模型的幾何準確性。利用多面體可以更精確地計算邊坡的位移和變形。由于多面體具有較好的連續性和柔性,它們能夠更準確地模擬邊坡的應力和變形分布,提供更可靠的數值解。因此,模型在進行邊坡位移分析時[14],結合該情況,采用差分公式完成多面體的數值計算,獲取多面體的應變張量ξij,其計算公式為:

(1)

多面體的應力增量Δσij計算公式為:

(2)

(3)

式中:ρ表示傳遞系數;bi表示應力。

(4)

式中:t表示時間。

1.3.3隧道變形計算

當進行邊坡開挖時,由于土壤受到外界的限制和約束,在邊坡土體內部會形成較大的應力。這些應力是由于土體的重力、水壓、土體間的摩擦、建筑物或支護結構對土體的限制等因素所引起的。這種較大的應力會導致邊坡土體在一定位置出現塑性變形區[15]。塑性區是指土體發生可逆性變形之后,繼續施加外力使其不能恢復原狀的區域。在邊坡開挖過程中,土體受到大的應力作用,超過了土體的強度極限,就會進入塑性狀態。在塑性區域,土體發生塑性變形,例如產生剪切、扭轉、沉降等變形。這些塑性變形會導致邊坡位移增大,破壞邊坡的穩定性,可能引發邊坡滑動、崩落等危險情況。

如果半徑為r0的隧道可承受的靜水壓力為p0,內部支撐壓力為pi。臨界支撐壓力用pγ表示,當其小于pi時,隧道周圍的巖體為彈性,此時隧道向內徑向彈性位移uie計算公式為:

(5)

式中:Em表示楊氏模量;η表示泊松比。

pi如果小于pγ,則隧道會發生坍塌,此時會發生塑性破壞,隧道內壁向內的總徑向位移uψ計算公式為:

(6)

式中:rψ表示總內徑向。

2 試驗分析

2.1 位移結果分析

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

表3 邊坡土層的位移測試結果

由表3可知,水平方法的最大位移結果為9.22 mm,垂直方向的最大位移結果為6.54 mm。因此,采用邊坡開挖支護技術進行地下隧道施工,應用效果較好,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現象,為分析支護結構對邊坡的支護效果,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,支護前、后,邊坡的沉降情況,如圖2所示。

(a)支護前

由圖2可知,采用邊坡開支護技術后,邊坡開挖施工時其沉降分布區域內沒有發生斷裂應力分布。因此,邊坡開挖支護技術具有較好的應用效果,可極大程度降低沉降發生,避免對周圍環境和構筑物造成影響。

2.3 剪切應變增量云圖

邊坡開挖過程中的安全系數可通過邊坡的穩定性衡量。因此,通過有限元模型對節點沿著Y方向進行約束后,進行等效平面應力分析,獲取其在該應力作用下,剪切應變增量結果。剪切應變增量區域越小、增量分布越均勻,表示穩定性越佳,即安全系數更高。測試結果如圖3所示。

(a)支護前

由圖3可知,采用對邊坡開挖進行支護技術保護后,邊坡在等效應力下,剪切應變顯著降低,增量分布范圍減小,最大剪切應變結果在1.854 e+01～2.006 e+01,并且分布的均勻性提升。

3 結語

城市地下隧道在施工工程中,邊坡開挖時,極容易發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技術,是保證邊坡穩定、隧道安全施工的前提。因此,提出基于邊坡開挖支護技術的城市地下隧道施工方法,并且對該方法的應用效果進行相關試驗和分析。結果顯示,所研究的隧道施工方法,應用效果較好,可有效避免邊坡開挖后發生位移,可以有效減小土層的沉降量,且大大提高邊坡的平穩性,確保隧道的施工安全。