1、地铁车站施工过程建模仿真分析摘要：本文以重庆市轻轨六号线江北城车站隧道工程为背景，简单介绍了该车站隧道的施工工法，通过大型有限元分析软件 Midas/GTS 对地铁车站施工过程进行了数值模拟仿真分析，模拟施工过程中土体的稳定性以及支护结构的受力和变形，以便于合理选择和改进开挖和支护方式，进而指导工程施工。 关键词：大断面隧道，Midas/GTS，模拟仿真 Abstract: This paper present briefly the method of station tunnel construction based on the sixth railway in Chongqing. T
2、he construction process of the subway station was analyzed based on the numerical simulation analysis by finite element analysis software Midas/GTS and simulated the stability of Middle-earth as well as the force and deformation of supporting structure so that a reasonable choice and improved excava
3、tion and support can be put forward and then guide the construction. Key words: large section tunnel; Midas / GTS; simulation 中图分类号：U415.6 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013） 随着中国的经济的飞速增长和城市化进程加剧，轨道交通在城市中所占的比重越来越大，由于系统所受环境的限制，在地铁施工过程中修建深基坑及大断面隧道是不可避免的。特别是近几年，在建筑密集区和城市中心区，出现了大量地铁深基坑及大断面隧道工程。因此，研究城市地铁深基坑及大断面
4、隧道施工技术有着重要的意义。 本文以重庆江北城车站隧道为工程背景，运用数值模拟对其进行仿真分析。根据具体工程相关情况研究地铁车站深基坑及浅埋暗挖软岩大断面隧道的开挖施工工法，对车站大断面隧道结构的整体稳定性和安全性加以分析，然后根据模拟仿真结果提出车站隧道合理的修正设计方法和改进措施，为车站隧道的安全施工提供依据。 1 地铁车站施工工法 地铁隧道施工方法的选择，关键在于要和隧道的地质条件相匹配，需根据隧道地质勘察所查明得隧道通过地段的地形、地貌、地层、岩性和地质构造特征，确定合适的施工方法。在国内已建成的地铁车站大断面隧道中，常采用三种工法：中隔壁法（CD） 、双侧壁导坑法（眼镜法） 、交叉中
5、隔墙法（CRD） 。 1.1 中隔壁法（CD） 作者简介：韩国令，男，1974 年出生，学士，项目经理，主要从事隧道施工及管理工作。中隔壁法（CD）是将隧道分为左右两部分进行分部开挖。它适用于围岩的浅埋大断面隧道。 1.2 交叉中隔壁法（CRD） 交叉中隔壁法采用自上而下分为二至三步开挖中隔墙的一侧，每开挖一部均及时施作锚喷支护、安设钢架、施作中隔壁、安装底部临时仰拱。交叉中隔壁法适用于围岩双线或者多线隧道开挖。 1.3 双侧壁导坑法（眼镜工法） 双侧壁导坑法先开挖隧道两侧的导坑，并进行初期支护，再分部开挖剩余部分的施工方法。特别是在跨度很大，围岩条件特别差，地表沉陷要求严格的隧道施工时，单侧
6、壁导坑法往往难以控制隧道围岩变形，双侧壁导坑法成为了最好的选择。 重庆市轨道交通六号线一期工程范围为上新街至礼嘉站。拟建江北城站设计为六号线与九号线的地下换乘站，根据对江北城车站隧道的结构特点，结合大跨隧道开挖后应力分布情况分析和重庆地区的类似工程施工经验，适合本工程特点的施工开挖方案是：上下双侧导坑法+先拱后墙法（拱部一次成型） 。 2 有限元数值模拟分析 有限元(FEM)法的思想发展至今已经相当成熟，它几乎全面满足了静力许可和应力、应变之间的本构关系，可进行岩土体弹塑性、粘弹塑性分析。其优点是，部分地考虑了岩土体的不连续性和非均质性，对以非线性、非均质和各向异性为特征的介质有很好的适应能力
7、，并具有灵活性和通用性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，能够解决各种复杂的边界问题，并可近似地依据岩体应力、应变规律去分析地下岩土体的变形和破坏机制。 1996 年 Duncan 提出了强度折减法中安全系数的定义。如下式： 用这个公式可以将有限元计算与稳定性建立对应关系。 强度折减有限元的基本原理就是将岩土体粘聚力 c 值和内摩擦角 值同时除以一个折减系数 F，由此得到一组新的 c、 值作为新的材料参数输入再进行计算；当计算结果不收敛时，对应的 F，被称为岩土体的最小稳定安全系数，此时岩土体达到极限平衡状态，发生剪切破坏，同时可得到坡体的破坏滑动面。 Midas/GTS 的边坡及地下工程稳
8、定分析采用了基于有限元法的强度折减法。极限平衡法和塑性极限分析法属于边坡稳定分析中的传统方法， 而采用基于强度折减法原理有限单元法处理边坡及地下工程稳定性是非常先进的。 3 地铁车站施工过程建模仿真分析 3.1 材料特性 选取里程 YDK16+135 暗挖段建模仿真分析，材料的本构关系采用理想弹塑性模型，主要岩土层物理力学参数如下表： 3.2 车站隧道建模模型 图 3.1 车站断面几何模型 图 3.2 车站断面离散元模型 3.3 结果分析 上拱开挖 图 3.3 上拱开挖围岩位移矢量图 隧道上拱开挖时，沉降主要分布在拱顶附近。上拱开挖后拱顶最大下沉 23.7mm，下沉明显，地表处沉降约为 16.
9、2mm。由此可见，大断面隧道上拱开挖对拱 顶上部岩土层稳定性影响明显，施工工程中应加强防护。 （2）上拱开挖 图 3.4 上拱开挖后围岩最大剪应变云图 上拱开挖后围岩应力发生重分布，在上拱和边墙界面突变处发生应力集中，最大应力为 2.36Mpa。该处剪应变为最大，该处较易发生剪切变形。因此施工时应及时监测，加强防护，预防事故的发生。 （3）电缆沟开挖 图 3.5 电缆沟开挖位移失量图 图 3.6 电缆沟开挖后最大剪应变云图 由电缆沟开挖后最大剪应变云图可知，开挖电缆沟对拱圈强度削弱较多。因此施工过程中电缆沟开挖对围岩产生的扰动会对隧道围岩稳定产生较大影响。 （4）电缆沟及隧道下拱开挖 图 3.
10、7 电缆沟及隧道下拱开挖后位移矢量图 开挖下拱后引起的最大位移为 6.7mm，主要是隧道两侧边墙突出。施工时，二次衬砌采用先拱后墙法，由图可见，下拱开挖后拱顶几乎没有下沉，趋于稳定。 （5）电缆沟及隧道下拱 图 3.8 电缆沟及隧道下拱开挖后最大剪应变云图 隧道下拱开挖后，拱圈底部、仰拱和边墙交界处出现应力集中，应变主要出现在边墙及拱圈底部，对拱圈强度削弱较多。 4 结语 本文通过对地铁车站施工工法分析和对地铁车站大断面隧道数值仿真模拟，对隧道支护结构及其围岩稳定性进行了研究，分析结果得出：上拱开挖时竖直方向的位移量显著增大，拱顶沉降量为最大，占总沉降量的绝大部分，隧道上部核心土的开挖对整个隧
11、道结构稳定性产生了不利的影响；电缆沟及下拱开挖时对围岩有所扰动，对拱圈强度削弱较多；隧道开挖完成后，水平方向最大压应力分布在拱顶加固圈附近，最大拉应力分布在两侧边墙处，竖直方向最大压应力分布在两侧边墙处。边墙和上拱的交界处出现了应力集中现象。仰拱处出现了最大负弯矩，这两处是最容易破坏的部位。 本文所做的数值仿真是理想化的模型，模型材料的参数是假定为理想状态下的，而且模型是在对实际工程状况优化的基础上建立起来的。因此忽略了实际工程中岩土体结构面，岩体微裂隙，地下水活动等对隧道围岩稳定性的影响，因此 Midas/GTS 建模仿真分析的结果与实际情况会有一定的偏差。 参考文献 1朱维申， 何满潮.
12、复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学M. 北京: 科学出版社， 1996. 2 孙钧，朱合华. 软弱围岩隧道施工性态的力学模拟与分析J. 岩土力学， 1994， 15(4):2032. 3 李术才.超大断面铁路隧道施工断面综合荷载释放过程研究.岩土力学.2011，9. 4Abouzar Darabi， Kaveh Ahangari， Ali Noorzad， Alireza Arab. Subsidence estimation utilizing various approaches A case study: Tehran No. 3 subway lineJ， Tunnelling and Underground Space Technology，2012，(5)， 117-127.
