基于ANSYS的地鐵施工三維仿真模擬及分析

周可璋 周 浩 盧寧 何中聯 王偉

【摘要】在地鐵施工過程中，由于地質環境具有很強的不確定性和模糊性，以及隧道圍巖錯綜復雜的變化，開挖方式的多樣化，導致不能準確地采用一種本構模型對地鐵開挖過程進行數值模擬，因此迫切地需要一種方法對地鐵隧道的結構安全性和結構在施工過程中的可靠性進行有效的模擬和評價。本文通過采用大型通用有限元ANSYS軟件對地鐵隧道開挖進行三維仿真及分析，以此來判斷施工方法選擇的合理性、圍巖的穩定性以及支護參數能否滿足設計要求，用來驗證施工方案的可行性，為地鐵的設計與施工提供參考依據，為工程規劃決策者提供依據和指導。

【關鍵詞】城市地鐵;開挖施工;仿真模擬;有限元分析

目前，在世界各國的城市地鐵施工中，由于地質環境具有很強的不確定性和模糊性，隧道圍巖錯綜復雜的變化，開挖方式的多樣性，導致不能準確地采用一種本構模型對地鐵開挖過程進行數值模擬，因此迫切地需要一種恰當的方法對地鐵隧道進行有效的模擬研究。目前，地鐵隧道模擬研究的方法有物理實驗方法、工程類比方法和數值模擬方法。物理實驗方法費用高，時間長，工程類比方法由于劃分比較粗糙，與實際有時差距較大。因而，有限元數值分析方法是目前地鐵隧道研究的一種非常經濟的方法。本文主要介紹采用大型通用有限元ANSYS軟件進行地鐵隧道開挖三維仿真分析的全過程，以此來判斷施工方法選擇的合理

性、圍巖的穩定性以及支護參數能否滿足設計要求。在地鐵施工過程中進行有限元數值模擬分析能夠驗證施工方案的可行性，為地鐵安全穩定的施工進行服務，為工程規劃決策者提供依據和指導。

1??地鐵情況概述

1.1??地鐵工程概況

某市地鐵工程線路總長度67.62公里，地鐵工程估算總投資287.38億元，采用礦山法暗挖施工的區間37個，采用盾構法施工的區間9個。本標段設計范圍為A站、B站以及與之連接的兩條區間隧道工程，起訖里程為DK6+044.469～DK7+355.129，本標段全長1310.66米。

1.2??地鐵平面設計

地鐵A站全長182.2m，采用PBA（洞柱法）工法施工，兩端各設置一處風井及風道，在施工期間作為施工豎井及橫通道使用。從兩端對向開挖車站主體結構，在中間位置實現貫通。車站設置四個出入口，其中兩個預留接口與后期地面建筑共同開發。

A站～B站區間隧道全長556雙線米，基本沿Z路下方穿行，需要下穿一處長約370m的地下購物長廊及一處8*5m暗渠。

圖1??地鐵A站平面圖Fig.1??Metro?Station?A?Plan

1.3??地鐵橫斷面設計

本場區地面現況路處起伏較小，中部低，兩端高，地面高程在14.83～17.21m之間。隧道最大覆土厚度18.09m，最小覆土厚度14.82m。

車站采用四導洞開挖，上層三個，下層一個。導洞開挖尺寸為5.6*5.6m，格柵鋼架+網噴混凝土支護形式，上臺階拱腳處設置兩根鎖腳錨管，控制沉降變形量。

圖2??A站橫斷面設計圖Fig.2??Station?A?Longitudinal?design

圖3??A站～B站區間隧道標準斷面橫斷面設計圖Fig.3??Station?A～Station?B?Longitudinal?design

1.4??工程地質概況

在地形地貌及地層結構方面，場區整體上看中部低，兩端高。地面高程14.83～17.21米。場區地貌為坡殘積臺地。勘察深度范圍內的地層為第四系全新統人工堆積層（Q4ml）、第四系沖洪積層（Q4al+pl）、震旦系五行山群長嶺子組（Zwhc）鈣質板巖、板巖及碎裂巖、并有中生代燕山期輝綠巖（βμ）侵入。

在水文地質特征方面，場地內無地表河流經過。沿線地下水類型主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水、地下水主要賦存于第四紀地層的孔隙中和基巖裂隙中。由于地層的滲透性差異，基巖中的水略具承壓性，基巖裂隙發育，孔隙水與裂隙水局部具連通性。巖石富水性和透水性與節理裂隙發育情況關系緊密，節理裂隙發育的不均勻性導致其富水性和透水性也不均勻。

在巖土工程分析與評價方面，設計地震分組為第一組，區間場地類別為Ⅱ類，部分區段圍巖不穩定，易坍塌，應采取輔助施工措施。

1.5??隧道支護結構

區間隧道標準段為雙線雙洞布置，馬蹄形斷面，開挖尺寸為6.0m*6.2m，采用礦山法施工。各類襯砌施工方案如下：

Z1襯砌：適用于Ⅲ、Ⅳ級圍巖標準斷面，采用上下臺階方法開挖，系統錨桿加掛鋼筋網噴射砼支護，拱部打設系統砂漿錨桿，φ22@1000x1000mm，周圈掛鋼筋網φ6@150X150mm，噴射混凝土150mm。

Z2襯砌：適用于Ⅳ級圍巖標準斷面穿越建（構）筑物段，采用上下臺階方法開挖，拱部120°范圍內設置超前小導管，小導管為φ42@300，L=3000mm，外插角15°，每榀格柵打設一環。格柵鋼架+噴錨支護，初支厚度250mm，格柵間距750mm;鋼格柵由四根φ25鋼筋焊接而成。開挖掌子面一次循環進尺500mm～1000mm，及時噴射混凝土封閉，盡量減少圍巖暴露時間。

2??地鐵施工方法介紹

根據隧道穿越的不同地質狀況，隧道結構主要位于中風化板巖及輝綠巖中，圍巖級別分別為Ⅳ級、Ⅲ級。根據圍巖特性及隧道覆土厚度以及周邊環境特征，對明挖、盾構以及礦山法暗挖進行深入分析比較，礦山法因其技術及工藝簡單，適用斷面靈活，無需大型機械等優點已經在地鐵建設中大量采用，并取得了成功，同時也積累了大量的經驗。本區間采用礦山法施工。

施工中應嚴格遵循短進尺、弱爆破、快封閉、勤量測的原則，嚴格控制循環進尺和爆破震動速度，確保安全施工。其施工過程如圖4所示。

圖4??開挖順序示意圖Fig.4??Excavation?diagram

3??有限元建模

3.1??計算模型

采用大型有限元計算軟件?ANSYS?進行隧道開挖的3D模擬數值分析。由于隧道及地下工程結構都屬于細長結構物，即隧道的橫斷面相對于縱向的長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發生位移。所以隧道力學分析可以采用彈性理論中的平面應變模型進行。

圖5??計算斷面地層及隧道有限元模型圖Fig.5??Finite?element?model?of?Figure

3.2??計算參數

計算的力學參數如表1所示。

表1??隧道支護結構參數設計Table?1??Design?of?structural?parameters?of?the?tunnel

初期支護

二次襯砌

噴射混凝土

錨桿

模筑混凝土

標號

厚度（cm）

直徑（mm）

長度（m）

間距（m）

標號

拱厚度（cm）

邊墻厚度（cm）

仰拱厚度（cm）

200

10

20

2

1.2

300

30

30

鋪底10

3.3??計算結果分析

對地鐵結構，選用ANSYA有限元軟件進行了位移、應力及應變分析，根據《混凝土結構設計規范》進行強度和變形的驗算，以此來判斷施工方法選擇的合理性、圍巖的穩定性以及支護參數能否滿足設計要求，用來驗證施工方案的可行性。

（1）?變形分析

地鐵開挖后圍巖位移變形過程反映了圍巖應力重分布的過程，此過程從隧道開挖到圍巖變形穩定，過程持續時間的長短和變形值的大小直接反映隧道開挖后圍巖重分布應力狀態。從圖6可以看出，最大的變形量為0.942mm，按照規范，完全能滿足設計要求。

圖6??位移等直線圖Fig.6??components?of?displacement

（2）?應力分析

從圖7、圖8、圖9可以看出，最大壓應力為6.68MPa，混凝土最大拉應力為-1.31MPa。從《混凝土結構設計規范》中，可以查出C30混凝土的抗壓設計強度為14.30MPa，抗拉設計強度為1.43MPa，壓應力和拉應力都未超過設計強度，結構能滿足強度要求。

圖7??應力分量圖

Fig.7??components?of?stress

圖8??應變分量圖

Fig.8??components?of?strain

圖9??主應變分量圖

Fig.9??components?of?principal?strain

4??結論

通過大型有限元計算軟件ANSYS?模擬隧道開挖和支護，能夠在開挖過程中對隧道的變形和應力狀況進行準確的描述及預判，從而便于制定開挖和支護方案，能夠指導設計施工，節省大量成本，ANSYS能夠為隧道施工控制提供較為可靠的手段和依據。

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