基于BIM與FE技術(shù)的鐵路隧道上跨結(jié)構(gòu)開挖研究

劉沛，葉明珠，趙國強，田明陽，曾昊

（中鐵二院工程集團有限責任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，我國軌道交通行業(yè)在數(shù)字化、智能化領(lǐng)域開辟了新的天地，BIM技術(shù)應用成為新時代鐵路工程設計階段不可或缺的環(huán)節(jié)。因此，基于BIM平臺，研究和探索BIM技術(shù)與傳統(tǒng)設計高度結(jié)合的“BIM+”技術(shù)，作為新時代鐵路工程BIM設計的高效、直觀配套輔助技術(shù)，是當代軌道交通行業(yè)設計階段的重要任務之一［1-5］。

目前，鐵路隧道工程正逐步實現(xiàn)其BIM正向設計，但大多設計任務是以隧道本身所攜帶的工程信息與結(jié)構(gòu)展示為BIM設計重點，忽略了隧道在施工開挖過程中自身結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣，尤其是設計有結(jié)構(gòu)復雜且開挖部位相互影響的上跨橫通道的隧道。另外，現(xiàn)有通過二維斷面計算設計隧道洞身的安全性，不能從空間角度直觀展示與隧道正洞洞身關(guān)聯(lián)的附屬洞室對正洞的動態(tài)影響過程，因此，借助具備工程參數(shù)信息的BIM模型，結(jié)合傳統(tǒng)三維非線性大變形有限元（Finite Element，F(xiàn)E）設計理論，以BIM+FE技術(shù)可在隧道BIM正向設計過程中即時對設計的三維數(shù)字化成果進行仿真計算校核，并針對不滿足規(guī)范或設計要求的隧道結(jié)構(gòu)及時進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以某鐵路正洞洞室及其救援站上跨橫通道的BIM設計模型為研究對象，利用有限元方法，采用HyperMesh和ANSYS14.5軟件分階段研究在開挖隧道上跨橫通道的動態(tài)過程中，對處于其下方且已經(jīng)完工的隧道正洞洞身產(chǎn)生的影響是否滿足正洞隧道設計規(guī)范的強度和變形要求，以保證隧道正洞結(jié)構(gòu)設計的安全性和可靠性。

1 隧道BIM+FE模型建立

BIM模型作為計算分析的基礎模型，根據(jù)圣維南原理，在創(chuàng)建過程中應選取包絡隧道正洞洞身、上跨橫通道全部結(jié)構(gòu)的區(qū)間，建立上述結(jié)構(gòu)及地質(zhì)體的全尺寸BIM模型，以保證實際施工狀態(tài)與計算模型的一致性。FE仿真計算模型的創(chuàng)建應遵循“兼顧全部，局部細化”的原則將BIM模型離散成高階實體單元，以提高仿真結(jié)果的準確度和計算效率。

1.1 隧道正洞及上跨橫通道BIM模型

選取某高速鐵路隧道正洞及其救援站上跨橫通道為研究對象，建立隧道及其上跨橫通道BIM模型［6］。其中正洞為雙線洞室，模型長度為200 m，上跨橫通道為單車道救援洞室，模型長度為100 m，橫通道與正洞正交且垂向最小凈距為0.6 m。為了真實反映橫通道開挖過程中隧道洞身周圍地質(zhì)體對隧道洞身產(chǎn)生的內(nèi)力狀態(tài)，創(chuàng)建包絡所有隧道洞身的地質(zhì)體塊BIM模型，尺寸為200 m×200 m×200 m。最終隧道及其上跨橫通道與地質(zhì)體BIM模型見圖1。

圖1 隧道及其上跨橫通道與地質(zhì)體BIM模型

1.2 隧道與地質(zhì)體FE模型

基于隧道及其上跨橫通道與地質(zhì)體BIM模型，利用HyperMesh創(chuàng)建基于ANSYS14.5的隧道與地質(zhì)體FE模型［7］，主洞結(jié)構(gòu)由51 000個正六面體SOLID186高階三維20節(jié)點固體結(jié)構(gòu)實體單元組成，且厚度方向分3層，以滿足積分原則，上跨橫通道由8 385個正六面體SOLID186實體單元組成，整個地質(zhì)體由5 820 438個SOLID186實體單元組成，地質(zhì)體與主洞間采用非線性接觸傳力的面面接觸方法模擬，即在兩者之間設置面面接觸對，以防止接觸面相互滲透。根據(jù)所選隧道段地質(zhì)的圍巖等級和TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》［8］，對離散后的結(jié)構(gòu)附加相應物理參數(shù)，模型主要材料基本物理參數(shù)見表1，隧道洞身襯砌C60鋼筋混凝土的軸心抗壓極限為40 MPa，最終FE計算模型見圖2。

表1 隧道主要部位材料基本物理參數(shù)

圖2 隧道與地質(zhì)體有限元模型

2 開挖過程邊界條件及評定準則

2.1 開挖階段劃分與邊界條件設置

主要研究在開挖上跨橫通道過程中，對處于其下方且已經(jīng)完工的隧道主洞產(chǎn)生的影響是否超過既有隧道的強度和變形要求。為了更精準反映開挖過程，根據(jù)開挖過程對隧道正洞的影響程度，將上跨橫通道開挖進程分成4個階段（見圖3）。

圖3 上跨橫通道施工進程

（1）第1階段：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道開挖之前。本階段用以計算橫通道開挖之前正洞洞室在地質(zhì)體壓力和自身重力作用下的結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)和變形狀態(tài)。

（2）第2階段：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道掘進至正洞正上方。本階段用以計算橫通道掘進至正洞正上方時，在地質(zhì)體壓力、自身重力作用及橫通道掘進至正上方時的正洞洞身結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)和變形狀態(tài)。

（3）第3階段：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道掘進至越過正洞洞身。本階段用以計算橫通道掘進至越過正洞洞身時，在地質(zhì)體壓力、自身重力作用及橫通道掘進至越過正洞洞身后的正洞洞身結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)和變形狀態(tài)。

（4）第4階段（最終）：正洞洞身開挖完畢，上跨橫通道開挖完畢。本階段用以計算橫通道開挖完畢時，在地質(zhì)體壓力、自身重力作用及橫通道開挖完成后的正洞洞身結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)和變形狀態(tài)。

基于上述4個開挖階段，將整個仿真計算過程分為4個載荷步，并采用ANSYS的生死單元模擬挖掉的過程，即每施工完成1段，則將該段巖土“殺死”，而后進行下一階段的仿真計算［9-12］。計算過程中，整個FE模型約束施加情況見圖4，其中對地質(zhì)體塊X方向2個面、Y方向2個面施加對稱約束，Z方向底面施加三自由度全約束，計算環(huán)境設置重力加速度。

圖4 計算模型邊界條件

2.2 仿真計算評定準則

在上跨橫通道開挖過程仿真計算中，任何1種工況均需滿足節(jié)點等效應力的強度準則和變形量控制的規(guī)范要求，具體如下：

（1）在上跨橫通道開挖過程中，正洞主要處于多軸應力狀態(tài)，對于斷裂延伸率A≥6%的材料由von_Mises等效應力進行評估；如果材料的斷裂延伸率A＜6%，由絕對值最大的主應力進行評估。模型中所有材料的斷裂延伸率均滿足A≥6%的要求，因此該隧道正洞的von_Mises等效應力滿足關(guān)系式［13］：

式中：σvon_Mises為節(jié)點等效應力；RS為由屈服極限和強度極限確定的許用應力。

（2）對變形量的要求為：拱頂和仰拱的垂向位移不得超過規(guī)范要求的預留量，拱腳水平位移量不得超過規(guī)范要求的預留量。

3 開挖過程仿真計算與結(jié)果分析

根據(jù)上跨橫通道在不同開挖階段的工況、載荷步及相應邊界條件，利用ANSYS對創(chuàng)建的FE模型進行仿真求解計算，由于面面接觸對的存在，為更加真實傳遞接觸面處的力，在洞身與地質(zhì)體間的接觸對設置為拉格朗日非線性接觸算法［14-15］。最終得出在開挖過程不同階段正洞洞身的結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)和變形狀態(tài)。

3.1 上跨橫通道開挖前

上跨橫通道開挖前，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為23.73 MPa，出現(xiàn)在襯砌拱腳內(nèi)表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞洞身與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為44.42 mm，滿足設計規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖5、圖6。

圖5 上跨橫通道開挖前正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖6 上跨橫通道開挖前正洞洞身襯砌變形分布

3.2 上跨橫通道掘進至正洞正上方

上跨橫通道掘進至正洞正上方時，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為22.56 MPa，出現(xiàn)在與上跨橫通道正交處襯砌拱腳內(nèi)表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為42.54 mm，滿足設計規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖7、圖8。

圖7 上跨橫通道掘進至正洞正上方時正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖8 上跨橫通道掘進至正洞正上方時正洞洞身襯砌變形分布

3.3 上跨橫通道掘進至越過正洞洞身

上跨橫通道掘進至越過正洞洞身后，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為20.83 MPa，出現(xiàn)在與上跨橫通道正交處襯砌拱腳內(nèi)表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為40.23 mm，滿足設計規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖9、圖10。

圖9 上跨橫通道掘進至越過正洞洞身后正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖10 上跨橫通道掘進至越過正洞洞身后正洞洞身襯砌變形分布

3.4 上跨橫通道開挖完成后

上跨橫通道開挖完成后，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應力為20.82 MPa，出現(xiàn)在與上跨橫通道正交處襯砌拱腳內(nèi)表面，滿足混凝土抗壓強度要求；正洞與上跨橫通道正交處最大垂向變形量為40.20 mm，滿足設計規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應力分布及變形分布見圖11、圖12。

圖11 上跨橫通道開挖完成后正洞洞身襯砌von_Mises應力分布

圖12 上跨橫通道開挖完成后正洞洞身襯砌變形分布

3.5 上跨橫通道開挖進程計算結(jié)果統(tǒng)計

通過對開挖進程4個階段的仿真計算，在正洞與橫通道正交處，選取正洞洞身襯砌、襯砌外表面的應力數(shù)值變化和正洞拱頂垂向變形量、拱腳水平變形量作為開挖全過程重點關(guān)注指標，其數(shù)值變化情況見表2。

表2 開挖進程4個階段中正洞與橫通道正交處相關(guān)參數(shù)

由表2可知，隨著上跨橫通道開挖進程的推進，正洞與橫通道正交處，洞身襯砌拱腳內(nèi)表面von_Mises最大應力呈逐漸減小趨勢，開挖前后差值為2.91 MPa；襯砌外表面von_Mises應力呈逐漸減小趨勢，開挖前后差值為4.47 MPa；正洞與橫通道正交處拱頂變形量呈逐漸減小趨勢，開挖前后差值為4.22 mm；正洞與橫通道正交處拱腳水平變形量呈逐漸較小趨勢，開挖前后差值為1.12 mm。

4 結(jié)論

以某高速鐵路正洞洞室及其救援站上跨橫通道的BIM模型為研究對象，以BIM+FE技術(shù)仿真校核鐵路隧道在其上跨橫通道開挖過程中自身結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。得出如下結(jié)論：

（1）在上跨橫通道開挖過程中，隧道正洞洞身襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力和變形量滿足相關(guān)鐵路隧道設計規(guī)范要求。

（2）隨著開挖過程的進行，在正洞與橫通道正交處，正洞洞身襯砌拱腳內(nèi)表面、襯砌外表面的應力逐漸減小，且始終不超過鋼筋混凝土強度極限，正洞結(jié)構(gòu)設計滿足強度設計要求。

（3）隨著開挖過程的進行，在正洞與橫通道正交處，正洞拱頂垂向變形量逐漸減小，拱腳水平變形量逐漸減小，且均不超過相關(guān)鐵路隧道設計規(guī)范要求的臨界值。

隨著計算機性能的進步，BIM+FE技術(shù)為鐵路隧道正向設計提供了較高精度的校驗手段，進一步開拓了BIM模型的應用范疇。