劉沛，葉明珠，趙國(guó)強(qiáng)，田明陽(yáng)，曾昊

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

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

目前，鐵路隧道工程正逐步實(shí)現(xiàn)其BIM正向設(shè)計(jì)，但大多設(shè)計(jì)任務(wù)是以隧道本身所攜帶的工程信息與結(jié)構(gòu)展示為BIM設(shè)計(jì)重點(diǎn)，忽略了隧道在施工開(kāi)挖過(guò)程中自身結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣，尤其是設(shè)計(jì)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜且開(kāi)挖部位相互影響的上跨橫通道的隧道。另外，現(xiàn)有通過(guò)二維斷面計(jì)算設(shè)計(jì)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(duì)正洞的動(dòng)態(tài)影響過(guò)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(shè)計(jì)理論，以BIM+FE技術(shù)可在隧道BIM正向設(shè)計(jì)過(guò)程中即時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的三維數(shù)字化成果進(jìn)行仿真計(jì)算校核，并針對(duì)不滿足規(guī)范或設(shè)計(jì)要求的隧道結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)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(shè)計(jì)模型為研究對(duì)象，利用有限元方法，采用HyperMesh和ANSYS14.5軟件分階段研究在開(kāi)挖隧道上跨橫通道的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，對(duì)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(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度和變形要求，以保證隧道正洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

1 隧道BIM+FE模型建立

BIM模型作為計(jì)算分析的基礎(chǔ)模型，根據(jù)圣維南原理，在創(chuàng)建過(guò)程中應(yīng)選取包絡(luò)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(shí)際施工狀態(tài)與計(jì)算模型的一致性。FE仿真計(jì)算模型的創(chuàng)建應(yīng)遵循“兼顧全部，局部細(xì)化”的原則將BIM模型離散成高階實(shí)體單元，以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度和計(jì)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(duì)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(zhǎng)度為200 m，上跨橫通道為單車道救援洞室，模型長(zhǎng)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(shí)反映橫通道開(kāi)挖過(guò)程中隧道洞身周圍地質(zhì)體對(duì)隧道洞身產(chǎn)生的內(nèi)力狀態(tài)，創(chuàng)建包絡(luò)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(jiàn)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(gè)正六面體SOLID186高階三維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)實(shí)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(gè)正六面體SOLID186實(shí)體單元組成，整個(gè)地質(zhì)體由5 820 438個(gè)SOLID186實(shí)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(shè)置面面接觸對(duì)，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(jí)和TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］，對(duì)離散后的結(jié)構(gòu)附加相應(yīng)物理參數(shù)，模型主要材料基本物理參數(shù)見(jiàn)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(jì)算模型見(jiàn)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(kāi)挖過(guò)程邊界條件及評(píng)定準(zhǔn)則

2.1 開(kāi)挖階段劃分與邊界條件設(shè)置

主要研究在開(kāi)挖上跨橫通道過(guò)程中，對(duì)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(guò)既有隧道的強(qiáng)度和變形要求。為了更精準(zhǔn)反映開(kāi)挖過(guò)程，根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程對(duì)隧道正洞的影響程度，將上跨橫通道開(kāi)挖進(jìn)程分成4個(gè)階段（見(jiàn)圖3）。

圖3 上跨橫通道施工進(jìn)程

（1）第1階段：正洞洞身開(kāi)挖完畢，上跨橫通道開(kāi)挖之前。本階段用以計(jì)算橫通道開(kāi)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(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)。

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

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

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

基于上述4個(gè)開(kāi)挖階段，將整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程分為4個(gè)載荷步，并采用ANSYS的生死單元模擬挖掉的過(guò)程，即每施工完成1段，則將該段巖土“殺死”，而后進(jìn)行下一階段的仿真計(jì)算［9-12］。計(jì)算過(guò)程中，整個(gè)FE模型約束施加情況見(jiàn)圖4，其中對(duì)地質(zhì)體塊X方向2個(gè)面、Y方向2個(gè)面施加對(duì)稱約束，Z方向底面施加三自由度全約束，計(jì)算環(huán)境設(shè)置重力加速度。

圖4 計(jì)算模型邊界條件

2.2 仿真計(jì)算評(píng)定準(zhǔn)則

在上跨橫通道開(kāi)挖過(guò)程仿真計(jì)算中，任何1種工況均需滿足節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的強(qiáng)度準(zhǔn)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(kāi)挖過(guò)程中，正洞主要處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于斷裂延伸率A≥6%的材料由von_Mises等效應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估；如果材料的斷裂延伸率A＜6%，由絕對(duì)值最大的主應(yīng)力進(jìn)行評(píng)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(yīng)力滿足關(guān)系式［13］：

式中：σvon_Mises為節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力；RS為由屈服極限和強(qiáng)度極限確定的許用應(yīng)力。

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

3 開(kāi)挖過(guò)程仿真計(jì)算與結(jié)果分析

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

3.1 上跨橫通道開(kāi)挖前

上跨橫通道開(kāi)挖前，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應(yīng)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(qiáng)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(shè)計(jì)規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布及變形分布見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 上跨橫通道開(kāi)挖前正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布

圖6 上跨橫通道開(kāi)挖前正洞洞身襯砌變形分布

3.2 上跨橫通道掘進(jìn)至正洞正上方

上跨橫通道掘進(jìn)至正洞正上方時(shí)，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應(yīng)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(qiáng)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(shè)計(jì)規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布及變形分布見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 上跨橫通道掘進(jìn)至正洞正上方時(shí)正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布

圖8 上跨橫通道掘進(jìn)至正洞正上方時(shí)正洞洞身襯砌變形分布

3.3 上跨橫通道掘進(jìn)至越過(guò)正洞洞身

上跨橫通道掘進(jìn)至越過(guò)正洞洞身后，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應(yīng)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(qiáng)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(shè)計(jì)規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布及變形分布見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 上跨橫通道掘進(jìn)至越過(guò)正洞洞身后正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布

圖10 上跨橫通道掘進(jìn)至越過(guò)正洞洞身后正洞洞身襯砌變形分布

3.4 上跨橫通道開(kāi)挖完成后

上跨橫通道開(kāi)挖完成后，正洞洞身襯砌承受的最大von_Mises應(yīng)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(qiáng)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(shè)計(jì)規(guī)范中拱頂及拱腳變形量要求。正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布及變形分布見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 上跨橫通道開(kāi)挖完成后正洞洞身襯砌von_Mises應(yīng)力分布

圖12 上跨橫通道開(kāi)挖完成后正洞洞身襯砌變形分布

3.5 上跨橫通道開(kāi)挖進(jìn)程計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)開(kāi)挖進(jìn)程4個(gè)階段的仿真計(jì)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(yīng)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(kāi)挖全過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)，其數(shù)值變化情況見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)挖進(jìn)程4個(gè)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(kāi)挖進(jìn)程的推進(jìn)，正洞與橫通道正交處，洞身襯砌拱腳內(nèi)表面von_Mises最大應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)，開(kāi)挖前后差值為2.91 MPa；襯砌外表面von_Mises應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)，開(kāi)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(shì)，開(kāi)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(shì)，開(kāi)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(duì)象，以BIM+FE技術(shù)仿真校核鐵路隧道在其上跨橫通道開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖過(guò)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(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（2）隨著開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)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(yīng)力逐漸減小，且始終不超過(guò)鋼筋混凝土強(qiáng)度極限，正洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（3）隨著開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)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(guò)相關(guān)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求的臨界值。

隨著計(jì)算機(jī)性能的進(jìn)步，BIM+FE技術(shù)為鐵路隧道正向設(shè)計(jì)提供了較高精度的校驗(yàn)手段，進(jìn)一步開(kāi)拓了BIM模型的應(yīng)用范疇。