暗挖地铁区间隧道异形空间结构仿真分析

0 引言

随着我国经济的快速发展，我国在交通、水利等基础设施领域取得了令人注目的成就。尤其是近些年来，由于国民经济水平的提高，越来越多的人不断涌入城市，城市人口数量逐渐增多，交通工具普遍被使用，这使得我国大部分城市变得越来越来拥堵；为了改变这种现状，引入地下空间开发技术，将地面上的部分设施转移到地下，建设地铁轨道交通成为21世纪我国交通发展的主要趋势。

目前，地铁的建设在我国得到快速发展，同时，它所体现出来的优点也是显而易见的；一方面显示了国家综合国力和科技水平，另一方面极大地解决了一、二线城市的交通拥堵现象，方便人们的生活出行，随着我国城市地铁交通轨道数量的不断增加和水利水电在西部大开发中的大力发展，引水隧洞的修建随即大量涌现，为了考虑到城市地下空间的利用率，不可避免将出现新建隧道临近既有建筑物或构筑物施工的现象。在国外，如日本新建的Tozai地铁线与既有的Keishin地铁线就采用了四孔麻花型线路方案；意大利的瑞士高速公路在穿越米兰城时，从水平平行过渡到垂直平行的双车道双隧道型式等。可见，在21世纪地下空间大力发展的年代，诸如小净距平行隧道、上下交叉隧道、重叠隧道以及两相交隧道周期施工现象将会不可避免地大量出现。

1 地质分析

贵阳市处于喀斯特的地理环境中，其地质构造较平原地区的地质要复杂得多，地下轨道交通的建设往往离不开地质的勘察。为了充分了解该区间的地理构造，通过大量查阅有关该区间的岩土文献和勘察报告得知，该区间的地质分布主要为：素填土，红黏土和泥质白云岩。红黏土在该区间的南侧分布最广泛，但均位于车站隧道主体结构及附属通道结构顶板之上，对隧道施工安全影响较小，只对1号风道竖井施工有一定的安全影响。其次，在该区间红黏土的下层主要分布的是化泥质白云岩，强风化泥质白云岩又位于基岩顶部，所以该段岩体呈碎裂结构，自稳能力差，在对主体区间隧道和辅洞的开挖施工中影响较大。

2 技术难点

①泥质白云岩属于软质的岩体之一，在受到岩溶，层理及裂隙等影响下，力学行为变化规律不明确，稳定性差。区间主体隧道和辅洞均位于泥质白云岩层，因此，在对主隧道和辅洞开挖施工时，侧壁和拱顶很容易发生失稳坍塌的隐患。

②该区间位于贵阳市区内，周围有大量已修建的建筑物，如大型的建筑物有：贵州三环机械厂和贵州省肿瘤医院，如何在进行相交隧道施工中控制好地面的沉降，以防对临近建筑造成影响，是一个技术难点。

③相交隧道处的力学行为变化复杂，两隧道之间的相互影响较大，加上岩体的稳定性差，相交隧道处的受力分析，支护措施和施工工序尚处于经验积累阶段，缺乏一定的文献参考。

3 数值模拟研究

3.1 模型假定

为简化模型的计算，对本次模型采取以下几个方面的简化：

①考虑到贵阳处于低地震区，在模型的施工模拟中不考虑地震的作用。

②在模型计算中，初始地应力只考虑岩体和既有结构的自重应力，不考虑地下水的影响；忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下达到平衡，而后进行隧道开挖。

③模型的数值计算中支护结构为弹性材料，计算范围为弹性线性计算。

④为简化计算，在计算过程中不考虑塑性区、物理力学参数粘聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比的变化，该模型假设为理想弹性围岩。

3.2 模型建立

3.2.1 计算范围的选取

本文采用ANSYS软件进行数值模拟分析，由区间主隧道和辅洞的建设关系可以建立模型，但出于考虑到实际位置关系过于复杂，因此在不影响大致计算结果的前提下，在建模过程中进行适当简化，得到简化的平面图如图1所示。

图1 模型简化平面图

隧道与地铁区间主隧道成90°正交，为了使软件的计算结果符合实际的工程求解问题，计算范围取：沿隧道纵向取50m，横向取50m，深度方向从地面到埋深45m。计算模型取区间主隧道中心为坐标原点，隧道纵向为Z轴方向，向外为正；横向为X轴向，向右为正；上下为Y轴向，向上为正；模型纵向长度50m。隧道模型为半拱形隧道，跨径为9m，埋深15m；在使用ANSYS软件进行数值模拟中，支护结构选用shell63单元类型模拟，实体围岩结构采用solid45单元模拟，应用ANSYS软件建立空间模型如图2所示。

图2 ANSYS空间模型图

3.2.2 边界条件

本次建立的模型边界条件主要采用施加位移约束的方法。在左右面上对所有的节点施加X方向的位移约束，在前后面上对所有的节点施加Z方向的位移约束，在底面上对所有的节点施加Y方向的位移约束，由于上表面是自由面，所以不对上表面施加任何的位移约束。

3.2.3 岩体参数见表1

表1 岩体参数

3.2.4 网格划分

模型因考虑到相交处曲面的网格划分，全部采用四面体单元来进行网格的划分。单元划分形状见图3。

图3 模型单元网格划分

3.3 数值模拟结果分析

本文主旨基于ANSYS软件对地铁相交隧道的施工工序的数值仿真研究，首先分析出在初始应力下围岩的沉降变形；其次对支隧道开挖后，主区间隧道的围岩沉降、应力变化以及支隧道支护结构的内力规律；最后模拟当主区间隧道施工开挖结束后，主区间隧道支护结构的沉降和内力变化、支隧道的支护结构的内力变化以及两隧道在相交处的沉降和内力变化。通过数值计算图形数据的对比，得出相交隧道在各阶段施工时内力和沉降位移，从而对各阶段施工做好维护支撑，防止隧道在后期发生开裂和坍塌的工程事故。

3.3.1 初始重力下的位移和应力

围岩在初始重力下Y轴方向上产生的位移情况。由ANSYS软件计算得到在未开挖隧道时，围岩产生的位移沉降和应力云图如图4、图5所示。

图4 初始状态Y方向位移

由图4、图5的图形数据可知，在初始重力下，围岩产生的最大沉降位移发生在路面上，其值为16.9mm，产生的最大应力为1.18MPa，应力的最大位置为围岩的底部。

图5 初始状态Y方向应力

3.3.2 辅洞开挖后的竖向位移和应力分布

在对地铁相交隧道进行数值动态模拟的过程中，采取先对辅洞施工开挖，在进行主体区间隧道的施工开挖。辅洞开挖完后，通过内力云图图6可以看出，地层相对于初始重力下已经发生了较大的沉降位移，并且对隧道周围的岩体产生很大的影响，而这在施工过程中可能会使地铁车站周边的建筑物发生一定的沉降。从中可以看出辅洞开挖完后，围岩的最大沉降位移为17.85mm，相对于原来下降0.95mm。

图6 辅洞开挖后周围岩体沉降位移

围岩由于在受人为的干扰后，本身结构的变化将引起岩体周围的内力分布发生改变，在本次的数值模拟施工工序计算中，从图7中可以看出，辅洞在开挖后，其拱顶的最大等效应力为2.76MPa，拱顶围岩的最小等效应力为0.92MPa，隧道底部的最大等效应力为8.27MPa，主要发生在隧道的两底端。考虑到支护结构所用C30的混凝土的抗拉强度设计值为14.3MPa，抗拉强度设计值为1.43MPa，所以支护结构在开挖施工过程中处于安全状态。

图7 辅洞开挖后支护结构等效应力图

3.3.3 主区间隧道开挖的结果分析

①区间隧道开挖围岩的应力分析。

因主隧道与辅洞相互连通，在区间主隧道开挖施工完后，自身的围岩将发生变化，同时也会影响到已经开挖好的辅洞。通过ANSYS的模拟施工计算中得出（计算结果见图8），区间主隧道的拱顶支护结构最大等效应力为1.57MPa，拱脚的最大等效为14.2MPa，其主要分布在两随带的相交处，并且达到了C30混凝土的抗压强度设计值，因此在对相交处施工时应加强围岩的支护。

图8 区间主隧道开挖后支护结构等效应力图

②沉降位移分析。

区间主隧道在开挖后，不仅自身围岩将会发生沉降，而且对于周围和辅洞均会产生较大的影响，在图9中和图10中，主隧道经过施工开挖后，主隧道和辅洞的拱顶沉降为16.7mm，开挖施工前，辅洞的拱顶沉降位移为14.9mm。由此可知主隧道的开挖施工使得辅洞沉降不断增加，另外由位移云图可以知道，距离相交处越近，沉降越大。

图9 主隧道开挖后位移图

图10 主隧道开挖前位移图

4 结论

本文以贵阳市地铁区间隧道工程为依托，通过有限元软件ANSYS对区间主隧道和辅洞在施工工序方面进行数值模拟研究，得到以下的几点结论：

由于泥质白云岩围岩自稳定性较差的特性，当地铁隧道开挖施工时，隧道围岩的沉降较大，应在施工期间加强好支护结构的支撑，防止围岩的坍塌。另外由于沉降波及面较大，在施工时应做好周围岩体的沉降监测。

两相交隧道的应力集中主要发生在隧道相交处，最大等效应力达到C30混凝土的抗压强度设计值，在相交处的支护结构需要增加钢筋的用量，且使用更高强的混凝土。

数值结构表明，主隧道的施工会造成辅洞的沉降位移增加，距离相交处越近，沉降越大，因此在施工过程中，应控制好主隧道施工对辅洞沉降的影响。