【关键词】城市地铁;开挖施工;仿真模拟;有限元分析
目前，在世界各国的城市地铁施工中，由于地质环境具有很强的不确定性和模糊性，隧道围岩错综复杂的变化，开挖方式的多样性，导致不能准确地采用一种本构模型对地铁开挖过程进行数值模拟，因此迫切地需要一种恰当的方法对地铁隧道进行有效的模拟研究。目前，地铁隧道模拟研究的方法有物理实验方法、工程类比方法和数值模拟方法。物理实验方法费用高，时间长，工程类比方法由于划分比较粗糙，与实际有时差距较大。因而，有限元数值分析方法是目前地铁隧道研究的一种非常经济的方法。本文主要介绍采用大型通用有限元ANSYS软件进行地铁隧道开挖三维仿真分析的全过程，以此来判断施工方法选择的合理
性、围岩的稳定性以及支护参数能否满足设计要求。在地铁施工过程中进行有限元数值模拟分析能够验证施工方案的可行性，为地铁安全稳定的施工进行服务，为工程规划决策者提供依据和指导。
1 地铁情况概述
1.1 地铁工程概况
某市地铁工程线路总长度67.62公里，地铁工程估算总投资287.38亿元，采用矿山法暗挖施工的区间37个，采用盾构法施工的区间9个。本标段设计范围为A站、B站以及与之连接的两条区间隧道工程，起讫里程为DK6+044.469～DK7+355.129，本标段全长1310.66米。
1.2 地鐵平面设计
地铁A站全长182.2m，采用PBA（洞柱法）工法施工，两端各设置一处风井及风道，在施工期间作为施工竖井及横通道使用。从两端对向开挖车站主体结构，在中间位置实现贯通。车站设置四个出入口，其中两个预留接口与后期地面建筑共同开发。
A站～B站区间隧道全长556双线米，基本沿Z路下方穿行，需要下穿一处长约370m的地下购物长廊及一处8*5m暗渠。
图1 地铁A站平面图Fig.1 Metro Station A Plan
1.3 地铁横断面设计
本场区地面现况路处起伏较小，中部低，两端高，地面高程在14.83～17.21m之间。隧道最大覆土厚度18.09m，最小覆土厚度14.82m。
车站采用四导洞开挖，上层三个，下层一个。导洞开挖尺寸为5.6*5.6m，格栅钢架+网喷混凝土支护形式，上台阶拱脚处设置两根锁脚锚管，控制沉降变形量。
图2 A站横断面设计图Fig.2 Station A Longitudinal design
图3 A站～B站区间隧道标准断面横断面设计图Fig.3 Station A～Station B Longitudinal design
1.4 工程地质概况
在地形地貌及地层结构方面，场区整体上看中部低，两端高。地面高程14.83～17.21米。场区地貌为坡残积台地。勘察深度范围内的地层为第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）、震旦系五行山群长岭子组（Zwhc）钙质板岩、板岩及碎裂岩、并有中生代燕山期辉绿岩（βμ）侵入。
在水文地质特征方面，场地内无地表河流经过。沿线地下水类型主要是第四系孔隙水和基岩裂隙水、地下水主要赋存于第四纪地层的孔隙中和基岩裂隙中。由于地层的渗透性差异，基岩中的水略具承压性，基岩裂隙发育，孔隙水与裂隙水局部具连通性。岩石富水性和透水性与节理裂隙发育情况关系紧密，节理裂隙发育的不均匀性导致其富水性和透水性也不均匀。
在岩土工程分析与评价方面，设计地震分组为第一组，区间场地类别为Ⅱ类，部分区段围岩不稳定，易坍塌，应采取辅助施工措施。
1.5 隧道支護结构
区间隧道标准段为双线双洞布置，马蹄形断面，开挖尺寸为6.0m*6.2m，采用矿山法施工。各类衬砌施工方案如下：
Z1衬砌：适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩标准断面，采用上下台阶方法开挖，系统锚杆加挂钢筋网喷射砼支护，拱部打设系统砂浆锚杆，φ22@1000x1000mm，周圈挂钢筋网φ6@150X150mm，喷射混凝土150mm。
Z2衬砌：适用于Ⅳ级围岩标准断面穿越建（构）筑物段，采用上下台阶方法开挖，拱部120°范围内设置超前小导管，小导管为φ42@300，L=3000mm，外插角15°，每榀格栅打设一环。格栅钢架+喷锚支护，初支厚度250mm，格栅间距750mm;钢格栅由四根φ25钢筋焊接而成。开挖掌子面一次循环进尺500mm～1000mm，及时喷射混凝土封闭，尽量减少围岩暴露时间。
2 地铁施工方法介绍
根据隧道穿越的不同地质状况，隧道结构主要位于中风化板岩及辉绿岩中，围岩级别分别为Ⅳ级、Ⅲ级。根据围岩特性及隧道覆土厚度以及周边环境特征，对明挖、盾构以及矿山法暗挖进行深入分析比较，矿山法因其技术及工艺简单，适用断面灵活，无需大型机械等优点已经在地铁建设中大量采用，并取得了成功，同时也积累了大量的经验。本区间采用矿山法施工。
施工中应严格遵循短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测的原则，严格控制循环进尺和爆破震动速度，确保安全施工。其施工过程如图4所示。
图4 开挖顺序示意图Fig.4 Excavation diagram
3 有限元建模
3.1 计算模型
采用大型有限元计算软件 ANSYS 进行隧道开挖的3D模拟数值分析。由于隧道及地下工程结构都属于细长结构物，即隧道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移。所以隧道力学分析可以采用弹性理论中的平面应变模型进行。
图5 计算断面地层及隧道有限元模型图Fig.5 Finite element model of Figure
3.2 计算参数
计算的力学参数如表1所示。
表1 隧道支护结构参数设计Table 1 Design of structural parameters of the tunnel
初期支护
二次衬砌
喷射混凝土
锚杆
模筑混凝土
标号
厚度（cm）
直径（mm）
长度（m）
间距（m）
标号
拱厚度（cm）
边墙厚度（cm）
仰拱厚度（cm）
200
10
20
2
1.2
300
30
30
铺底10
3.3 计算结果分析
对地铁结构，选用ANSYA有限元软件进行了位移、应力及应变分析，根据《混凝土结构设计规范》进行强度和变形的验算，以此来判断施工方法选择的合理性、围岩的稳定性以及支护参数能否满足设计要求，用来验证施工方案的可行性。
（1） 变形分析
地铁开挖后围岩位移变形过程反映了围岩应力重分布的过程，此过程从隧道开挖到围岩变形稳定，过程持续时间的长短和变形值的大小直接反映隧道开挖后围岩重分布应力状态。从图6可以看出，最大的变形量为0.942mm，按照规范，完全能满足设计要求。
图6 位移等直线图Fig.6 components of displacement
（2） 应力分析
从图7、图8、图9可以看出，最大压应力为6.68MPa，混凝土最大拉应力为-1.31MPa。从《混凝土结构设计规范》中，可以查出C30混凝土的抗压设计强度为14.30MPa，抗拉设计强度为1.43MPa，压应力和拉应力都未超过设计强度，结构能满足强度要求。
图7 应力分量图
Fig.7 components of stress
图8 应变分量图
Fig.8 components of strain
图9 主应变分量图
Fig.9 components of principal strain
4 结论
通过大型有限元计算软件ANSYS 模拟隧道开挖和支护，能够在开挖过程中对隧道的变形和应力状况进行准确的描述及预判，从而便于制定开挖和支护方案，能够指导设计施工，节省大量成本，ANSYS能够为隧道施工控制提供较为可靠的手段和依据。
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