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有限元分析验证某地铁隧道的稳定性

2024-10-23 17:44:07
有限元分析验证某地铁隧道的稳定性

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复杂的地质成分和现有的地下结构会对您的隧道设计和施工产生重大影响。在规划隧道工程之前，必须分析邻近的建筑物和地下结构，以防止它们倒塌，并选择合适的施工措施，例如正确的路线以确保安全开挖。
本案例研究说明了某地铁隧道项目，该项目考虑在施工前使用有限元方法程序RS2和RS3模拟开挖条件和潜在风险因素。

项目简介    

某公共交通系统是澳大利亚规划的最大基础设施项目之一，其中包括横跨某中央商务区（CBD）地区的9公里长的双隧道和五个新地铁站。由于该地区人口和高层建筑的增加，任何类型的隧道开挖都可能导致严重的沉降和应力重新分布，从而可能影响双隧道、建筑物和历史建筑。
考虑对开挖现场进行数值建模，以检测潜在的风险因素并提前分析隧道的稳定性，以避免任何类型的过度沉降和破坏。

用有限元法进行双隧道建模

有限元方法是分析岩体行为及其之上、内部和周围岩土结构的最有效方法之一。为了评估强风化的现场地质单元并确定破坏条件，选择莫尔-库仑准则来模拟岩土材料的行为。
RS2用于对州立图书馆站的挖掘以及不同的支撑系统进行建模，以评估现有地下结构和表面荷载的影响。RS3的3D建模用于模拟双隧道并确定与现有地下连城隧道的合适设计路线。

现场地质参数

施工场地地质构造各不相同，具有典型的地质成分，因此，分析并选择了具有典型地质成分的三个断面在RS2中进行建模。长断面地质剖面见图1，地质条件见图1、图2、图3，材料性能见表1。   

图片关键词图1 长剖面解释地质剖面（根据Golder2016修改）

图1显示了两种挖掘选项：

  • 在连城隧道上方或下方挖掘双隧道
  • 在地质单元MF1和MF4中设计双隧道


RS3用于分析并更好地捕获双隧道和连城隧道之间的相互作用，地质信息如表1所示。   
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图2 州立图书馆站平面图（由Golder216修改）

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图3 州立图书馆站西行隧道剖面线形（根据Golder2016修改）

表1 开采洞穴的初步岩土工程参数（Golder2016）

地质单位

描述

单位重量γ

千牛/立方米

有效凝聚力c'

千帕

摩擦角φ'

正割模量E

兆帕

泊松比v

FILL

充满

19

0

30

10

0.3

MF4

EW

22

50

30

80

0.3

MF3

HW

23

150

38

300

0.25

MF2

MW

24

400

45

500

0.2

MF1

SW/FR

26

650

48

2000

0.2

使用RS2进行沉降分析

RS2的沉降分析是本研究最重要的部分，因为它显示了地面和隧道顶部的沉降数据。采用最优支护系统制作CH99+290、CH99+440、CH99+460桩号的三个不同断面，对国家图书馆站不同施工阶段的沉降进行预测和分析。
使用RS2和RS3进行基于序列的挖掘建模
由于开挖顺序会影响州立图书馆站周围的沉降和应力重新分布，因此在RS2中对传统的开挖顺序进行建模，以便逐步开挖中央隧道，然后是侧隧道。此外，超前开挖顺序是先开挖侧隧道，然后开挖中央隧道。   
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图4 正常模拟序列

由于连城隧道的存在，双隧道路线设计选项受到限制，因此使用RS3来建模和分析双隧道与连城隧道与不同开挖方案之间的相互作用。此外，还分析了双隧道开挖模型，通过调查对连城线的影响来确定适当的开挖顺序。   
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图5 模拟在连城隧道下方挖掘的双隧道的基本RS3模型

RS2结果：图6(a)、(b)显示了车站和支撑结构上的轴向力和弯矩图。    

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图6(a) CH99+4605号支撑系统国家图书馆站轴力图

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图6(b) CH99+4605号支撑系统国家图书馆站弯矩图

结果分析    

对CH99+290、CH99+440、CH99+460三个桩段地表和州立图书馆站的沉降进行分析，并生成模型结果，以了解隧道开挖将如何影响现有建筑物的安全。地面和州立图书馆站的稳定性。
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图7 CH99+460剖面9个阶段的总位移

根据图7，最大的聚落位于关键点：中央隧道站的最高点和中央隧道中心线上方。
连城隧道周围的挖掘方案模型
RS3的3D建模适用于连城隧道存在下的开挖条件的详细建模。对隧道线形设计方案进行了分析，结果如图8（a）和（b）所示，这些模型设置为同时开挖的双隧道和25kN/m2的表面荷载。  
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图8(a) 在连城线下方挖掘双隧道时，3D视图（左）、双隧道侧视图（中）和等高线图例（右）的最大沉降。双隧道最大沉降量为3.6mm

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图8(b) 在连城隧道上方开挖双隧道时，3D视图（左）、双隧道侧视图（右）和等高线图例（右）的最大沉降。连城线最大沉降63mm，双隧道最大沉降29mm         

图8（a）和（b）显示，连城隧道上方开挖的双隧道显示沉降量较大，达63mm，导致现有连城隧道隧道的安全风险较高。另一方面，如果在连城隧道下方挖掘双隧道，则会导致最大沉降量小得多，仅为3.6毫米，这被证明是一种更安全的替代方案。    
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图9(a) 当双隧道在连城线下方单独开挖时，3D视图（左）、双隧道侧视图（右）和等高线图例（右）的最大沉降。双隧道最大沉降量为2.1毫米

图9（a）和（b）分别展示了25kN/m2表面荷载的双隧道开挖模型。
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图9(b) 当双隧道在连城隧道上方单独开挖时，3D视图（左）、双隧道侧视图（右）和等高线图例（右）的最大沉降。双隧道最大沉降63mm，双隧道最大沉降29mm

从图9（a）和（b）获得的结果还发现，如果双隧道建在连城隧道下方，则沉降量会减少。另外，通过单独开挖双隧道，可以获得较小的双隧道最大沉降2.1毫米。根据该模拟，建议双隧道应单独开挖并在连城隧道下方38m深度处进行，以确保安全并减少对双隧道和现有连城隧道隧道的沉降影响。

RS2和RS3共同致力于准确的沉降预测和评估
本研究重点介绍了RS2和RS3在某地铁隧道项目施工前对开挖沉降预测和地下结构评估的有限元分析。模拟提供了适当的设计建议并确定了可能影响这一发展的潜在因素。

         

 

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