基于BIM与FE技术的铁路隧道上跨结构开挖研究

2022-05-21刘沛叶明珠赵国强田明阳曾昊

铁路技术创新 2022年1期

刘沛，叶明珠，赵国强，田明阳，曾昊

（中铁二院工程集团有限责任公司 BIM中心，四川成都 610031）

0 引言

近年来，随着数字化技术的飞速发展，我国轨道交通行业在数字化、智能化领域开辟了新的天地，BIM技术应用成为新时代铁路工程设计阶段不可或缺的环节。因此，基于BIM平台，研究和探索BIM技术与传统设计高度结合的“BIM+”技术，作为新时代铁路工程BIM设计的高效、直观配套辅助技术，是当代轨道交通行业设计阶段的重要任务之一［1-5］。

目前，铁路隧道工程正逐步实现其BIM正向设计，但大多设计任务是以隧道本身所携带的工程信息与结构展示为BIM设计重点，忽略了隧道在施工开挖过程中自身结构性能的优劣，尤其是设计有结构复杂且开挖部位相互影响的上跨横通道的隧道。另外，现有通过二维断面计算设计隧道洞身的安全性，不能从空间角度直观展示与隧道正洞洞身关联的附属洞室对正洞的动态影响过程，因此，借助具备工程参数信息的BIM模型，结合传统三维非线性大变形有限元（Finite Element，FE）设计理论，以BIM+FE技术可在隧道BIM正向设计过程中即时对设计的三维数字化成果进行仿真计算校核，并针对不满足规范或设计要求的隧道结构及时进行结构优化。以某铁路正洞洞室及其救援站上跨横通道的BIM设计模型为研究对象，利用有限元方法，采用HyperMesh和ANSYS14.5软件分阶段研究在开挖隧道上跨横通道的动态过程中，对处于其下方且已经完工的隧道正洞洞身产生的影响是否满足正洞隧道设计规范的强度和变形要求，以保证隧道正洞结构设计的安全性和可靠性。

1 隧道BIM+FE模型建立

BIM模型作为计算分析的基础模型，根据圣维南原理，在创建过程中应选取包络隧道正洞洞身、上跨横通道全部结构的区间，建立上述结构及地质体的全尺寸BIM模型，以保证实际施工状态与计算模型的一致性。FE仿真计算模型的创建应遵循“兼顾全部，局部细化”的原则将BIM模型离散成高阶实体单元，以提高仿真结果的准确度和计算效率。

1.1 隧道正洞及上跨横通道BIM模型

选取某高速铁路隧道正洞及其救援站上跨横通道为研究对象，建立隧道及其上跨横通道BIM模型［6］。其中正洞为双线洞室，模型长度为200 m，上跨横通道为单车道救援洞室，模型长度为100 m，横通道与正洞正交且垂向最小净距为0.6 m。为了真实反映横通道开挖过程中隧道洞身周围地质体对隧道洞身产生的内力状态，创建包络所有隧道洞身的地质体块BIM模型，尺寸为200 m×200 m×200 m。最终隧道及其上跨横通道与地质体BIM模型见图1。

图1 隧道及其上跨横通道与地质体BIM模型

1.2 隧道与地质体FE模型

基于隧道及其上跨横通道与地质体BIM模型，利用HyperMesh创建基于ANSYS14.5的隧道与地质体FE模型［7］，主洞结构由51 000个正六面体SOLID186高阶三维20节点固体结构实体单元组成，且厚度方向分3层，以满足积分原则，上跨横通道由8 385个正六面体SOLID186实体单元组成，整个地质体由5 820 438个SOLID186实体单元组成，地质体与主洞间采用非线性接触传力的面面接触方法模拟，即在两者之间设置面面接触对，以防止接触面相互渗透。根据所选隧道段地质的围岩等级和TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［8］，对离散后的结构附加相应物理参数，模型主要材料基本物理参数见表1，隧道洞身衬砌C60钢筋混凝土的轴心抗压极限为40 MPa，最终FE计算模型见图2。

表1 隧道主要部位材料基本物理参数

图2 隧道与地质体有限元模型

2 开挖过程边界条件及评定准则

2.1 开挖阶段划分与边界条件设置

主要研究在开挖上跨横通道过程中，对处于其下方且已经完工的隧道主洞产生的影响是否超过既有隧道的强度和变形要求。为了更精准反映开挖过程，根据开挖过程对隧道正洞的影响程度，将上跨横通道开挖进程分成4个阶段（见图3）。

图3 上跨横通道施工进程

（1）第1阶段：正洞洞身开挖完毕，上跨横通道开挖之前。本阶段用以计算横通道开挖之前正洞洞室在地质体压力和自身重力作用下的结构应力状态和变形状态。

（2）第2阶段：正洞洞身开挖完毕，上跨横通道掘进至正洞正上方。本阶段用以计算横通道掘进至正洞正上方时，在地质体压力、自身重力作用及横通道掘进至正上方时的正洞洞身结构应力状态和变形状态。

（3）第3阶段：正洞洞身开挖完毕，上跨横通道掘进至越过正洞洞身。本阶段用以计算横通道掘进至越过正洞洞身时，在地质体压力、自身重力作用及横通道掘进至越过正洞洞身后的正洞洞身结构应力状态和变形状态。

（4）第4阶段（最终）：正洞洞身开挖完毕，上跨横通道开挖完毕。本阶段用以计算横通道开挖完毕时，在地质体压力、自身重力作用及横通道开挖完成后的正洞洞身结构应力状态和变形状态。

基于上述4个开挖阶段，将整个仿真计算过程分为4个载荷步，并采用ANSYS的生死单元模拟挖掉的过程，即每施工完成1段，则将该段岩土“杀死”，而后进行下一阶段的仿真计算［9-12］。计算过程中，整个FE模型约束施加情况见图4，其中对地质体块X方向2个面、Y方向2个面施加对称约束，Z方向底面施加三自由度全约束，计算环境设置重力加速度。

图4 计算模型边界条件

2.2 仿真计算评定准则

在上跨横通道开挖过程仿真计算中，任何1种工况均需满足节点等效应力的强度准则和变形量控制的规范要求，具体如下：

（1）在上跨横通道开挖过程中，正洞主要处于多轴应力状态，对于断裂延伸率A≥6%的材料由von_Mises等效应力进行评估；如果材料的断裂延伸率A＜6%，由绝对值最大的主应力进行评估。模型中所有材料的断裂延伸率均满足A≥6%的要求，因此该隧道正洞的von_Mises等效应力满足关系式［13］：

式中：σvon_Mises为节点等效应力；RS为由屈服极限和强度极限确定的许用应力。

（2）对变形量的要求为：拱顶和仰拱的垂向位移不得超过规范要求的预留量，拱脚水平位移量不得超过规范要求的预留量。

3 开挖过程仿真计算与结果分析

根据上跨横通道在不同开挖阶段的工况、载荷步及相应边界条件，利用ANSYS对创建的FE模型进行仿真求解计算，由于面面接触对的存在，为更加真实传递接触面处的力，在洞身与地质体间的接触对设置为拉格朗日非线性接触算法［14-15］。最终得出在开挖过程不同阶段正洞洞身的结构应力状态和变形状态。

3.1 上跨横通道开挖前

上跨横通道开挖前，正洞洞身衬砌承受的最大von_Mises应力为23.73 MPa，出现在衬砌拱脚内表面，满足混凝土抗压强度要求；正洞洞身与上跨横通道正交处最大垂向变形量为44.42 mm，满足设计规范中拱顶及拱脚变形量要求。正洞洞身衬砌von_Mises应力分布及变形分布见图5、图6。

图5 上跨横通道开挖前正洞洞身衬砌von_Mises应力分布

图6 上跨横通道开挖前正洞洞身衬砌变形分布

3.2 上跨横通道掘进至正洞正上方

上跨横通道掘进至正洞正上方时，正洞洞身衬砌承受的最大von_Mises应力为22.56 MPa，出现在与上跨横通道正交处衬砌拱脚内表面，满足混凝土抗压强度要求；正洞与上跨横通道正交处最大垂向变形量为42.54 mm，满足设计规范中拱顶及拱脚变形量要求。正洞洞身衬砌von_Mises应力分布及变形分布见图7、图8。

图7 上跨横通道掘进至正洞正上方时正洞洞身衬砌von_Mises应力分布

图8 上跨横通道掘进至正洞正上方时正洞洞身衬砌变形分布

3.3 上跨横通道掘进至越过正洞洞身

上跨横通道掘进至越过正洞洞身后，正洞洞身衬砌承受的最大von_Mises应力为20.83 MPa，出现在与上跨横通道正交处衬砌拱脚内表面，满足混凝土抗压强度要求；正洞与上跨横通道正交处最大垂向变形量为40.23 mm，满足设计规范中拱顶及拱脚变形量要求。正洞洞身衬砌von_Mises应力分布及变形分布见图9、图10。

图9 上跨横通道掘进至越过正洞洞身后正洞洞身衬砌von_Mises应力分布

图10 上跨横通道掘进至越过正洞洞身后正洞洞身衬砌变形分布

3.4 上跨横通道开挖完成后

上跨横通道开挖完成后，正洞洞身衬砌承受的最大von_Mises应力为20.82 MPa，出现在与上跨横通道正交处衬砌拱脚内表面，满足混凝土抗压强度要求；正洞与上跨横通道正交处最大垂向变形量为40.20 mm，满足设计规范中拱顶及拱脚变形量要求。正洞洞身衬砌von_Mises应力分布及变形分布见图11、图12。

图11 上跨横通道开挖完成后正洞洞身衬砌von_Mises应力分布

图12 上跨横通道开挖完成后正洞洞身衬砌变形分布

3.5 上跨横通道开挖进程计算结果统计

通过对开挖进程4个阶段的仿真计算，在正洞与横通道正交处，选取正洞洞身衬砌、衬砌外表面的应力数值变化和正洞拱顶垂向变形量、拱脚水平变形量作为开挖全过程重点关注指标，其数值变化情况见表2。

表2 开挖进程4个阶段中正洞与横通道正交处相关参数

由表2可知，随着上跨横通道开挖进程的推进，正洞与横通道正交处，洞身衬砌拱脚内表面von_Mises最大应力呈逐渐减小趋势，开挖前后差值为2.91 MPa；衬砌外表面von_Mises应力呈逐渐减小趋势，开挖前后差值为4.47 MPa；正洞与横通道正交处拱顶变形量呈逐渐减小趋势，开挖前后差值为4.22 mm；正洞与横通道正交处拱脚水平变形量呈逐渐较小趋势，开挖前后差值为1.12 mm。