地铁复杂联络通道数值计算建模研究

地铁复杂联络通道数值计算建模研究

孙立光

(河南理工大学河南焦作454003)

摘要：郑州市某工程土建施工有一联络通道，联络通道隧道中心线间距16.5m，通道采用直墙圆拱型构造，结构宽4.5m，高4.85m，在现有旁通道冻结开挖的文献中，大部分文献均采用简化建模的方式，将多数的冻结管转化为水平冻结管简化计算，相关有限元研究较少，按照实际模型计算的研究较少，简化模型无法体现出真实施工过程中的冷量扩展和冻结壁的发展规律。本研究依据实际施工情况进行建模，做到模拟与设计、施工条件完全相同，对联络通道进行不简化建模，从而研究旁通道的冻结冷量的扩展及冻结壁的发展规律。

关键词：有限元；冻结；建模；联络通道；

ResearchonnumericalcalculationandmodelingofcomplexconnectingpassageofMetro

SUNLi-Guang

（HenanPolytechnicUniversity.Henan，Jiaozuo，454003，China）

Abstract:InthecivilconstructionofaprojectinZhengzhou,thereisaconnectingpassage.Thedistancebetweenthecentrallinesoftheconnectingpassagetunnelis16.5m.Thepassageadoptsastraight-wallcirculararchstructurewithawidthof4.5mandaheightof4.85m.Intheexistingliteratureonthefreezingexcavationofbypass,mostofthedocumentsadoptthesimplifiedmodelingmethodtosimplifymostofthefreezingpipesintohorizontalfreezingpipes.Computation,therelevantfiniteelementresearchisless,accordingtotheactualmodelcalculationresearchisless,simplifiedmodelcannotreflecttherealconstructionprocessofcoldexpansionandfreezingwalldevelopmentlaw.Inthisstudy,accordingtotheactualconstructionsituation,thesimulation,designandconstructionconditionsareexactlythesame.Themodeloftheconnectingpassageisnotsimplified,soastostudytheexpansionofthefreezingcoolingcapacityofthebypassandthedevelopmentlawofthefreezingwall.

Keywords:finiteelement;frozen;modeling;Contactchannel;

0引言

高福华[1]结合实际工程介绍了冻结法在地铁联络通道冻结法施工中关键的施工技术，对今后联络通道冻结法施工有一定的指导意义。武鹏[2]以实际工程为例,分析了冻结加固方案的技术要点。崔灏建立[3]三维有限元数值计算模型通过对比分析冻结阶段的数值模拟分析结果与实测数据，得出了超长地铁联络通道冻结温度场的变化规律。刘启清[4]通过数值模拟与现场监测得出冻结帷幕的变形特性、应力分布特性以及开挖造成的隧道周围管片应力的重新分布情况。苏文德[5]通过监测数据分析了海底隧道联络通道冻结温度场变化规律,对今后海底冻结施工具有重要的借鉴意义。

现阶段的研究数值分析建模都比较简单，多采用简化建模的方式，本文采用实际模型进行建模计算，使模拟与设计、施工条件完全相同，从而得出旁通道的冻结冷量的扩展及冻结壁的发展规律

1项目概述

郑州市某工程土建施工有一联络通道，联络通道隧道中心线间距16.5m。联络通道采用直墙圆拱型构造，结构宽4.5m，高4.85m，初衬为I16工字钢+喷射混凝土，永久结构为钢筋混凝土。

此联络通道冻结管路复杂，在现有旁通道冻结开挖的文献中，大部分文献均采用简化建模的方式，将多数的冻结管转化为水平冻结管简化计算，相关有限元研究较少，按照实际模型计算的研究较少，简化模型无法体现出真实施工过程中的冷量扩展和冻结壁的发展规律。

在此前提下，本研究依据实际施工情况进行建模，做到模拟与设计、施工条件完全相同，研究旁通道的冻结冷量的扩展及冻结壁的发展规律，对浅覆土条件下人工冻土的冻结温度场、应力场进行分析研究，并研究冻结温度场对上部捷运通道的影响，避免因为人工冻结产生的冻胀对上部捷运通道乃至地面的构筑物造成破坏。

2有限元模型

利用三维有限元模型对此联络通道的温度场变化进行模拟，从数值分析角度探求冻结加固土体的温度场发展规律。针对该课题工程实际，本旁通道冻结的三维有限元模拟过程中做出如下假设：

（1）为方便建模，只建立一半模型计算；

（2）冻结孔与实际施工情况相同，不做简化。

先建立三维实体模型，根据实际CAD图纸进行建模，将二维平面模型进行建模，建立完全的三维模型。

将二维CAD图纸进行三维建模，建模后模型见图4。根据实际图纸及工况，对旁通道及上部捷运通道进行了建模，拟计算下部旁通道开挖对上部捷运通道的温度影响及应力场影响。

由于结构的不规则性较多，划分网格时采用切割实体单元，将模型以冻结管位置为切割点，沿XYZ方向切碎，并且以三维实体单元在不规则处自由划分，根据网格划分经验，设置核心区域单元的长度为0.2单位，外围土体长度为0.6单位。

对内部的细节构件进行分别建模，将旁通道衬砌、开挖部分分别建模，旁通道衬砌采用实体单元，共划分实体单元124057个，节点32166个；旁通道开挖部分采用实体单元，共划分实体单元193233个，节点40472个；地铁隧道原有衬砌采用实体单元，共划分实体单元258167个，节点67396个。

捷运通道与隧道位置如图5所示。捷运通道采用实体单元，共划分实体单元586809个，节点138972个，图6为冻结管位置图，冻结管划分位置与角度与实际施工完全相同。图7为去除附属结构后周围土体结构图，周围土体网格划分采用实体单元，共划分实体单元3659764个，节点876595个。

进行网格划分以后，整体结构共划分了实体单元4246573个，节点985773个，其整体网格图如图7所示，对每个分项结构进行了网格划分与建模，技术难度较大，建模精确度与实际施工结构相同，达到了计算接近实际，提高计算精度的要求。

单元选择上SOLID70具有三个方向的热传导能力。该单元有8个节点且每个节点上只有一个温度自由度，可以用于三维静态或瞬态的热分析。该单元能实现匀速热流的传递。假如模型包括实体传递结构单元，那么也可以进行结构分析，此单元能够用等效的结构单元代替，该单元存在一个选项，即允许完成实现流体流经多孔介质的非线性静态分析。选择了该选项后，单元的热参数将被转换成相类似的流体流动参数，例如温度自由度将变为等效的压力自由度。

3数值计算方案

此联络通道主要开挖土层为⑥层细砂层、⑥1粉土层。联络通道净宽设计2.79m，净高3.15m，中心线间距16.5m。左右线隧道地质剖面图如8所示。

此联络通道埋深约19.6m（该埋深为隧道顶部至地面的高度），联络通道正上方为机场捷运通道相对净距约为8.7m（该埋深为隧道顶部至捷运通道结构底部的高度），地下水稳定水位埋深约8.2m。地面上方为机场二期正在修建的机场跑道。

按照实际情况赋予建完的模型参数，并施加真实的边界条件，导入Ansys软件进行热力学计算。

赋予土体参数后对模型进行了计算，得出了不同时期冻结温度发展云图，充分证明了分段复杂建模技术成熟可用。

4结论

由以上可得，本次计算采用分段复杂建模技术，将复杂模型拆分切碎，在模型的建立、网格单元的划分、计算参数选择上做到了尽可能接近实际，在复杂真实建模条件下，计算分析可以较好的模拟联络通道温度场扩展情况，计算结果可以为现场设计施工冻结中出现的问题提供分析帮助，同时为下一步冻胀、融沉研究奠定了基础。

参考文献：

[1]高福华.冻结法在合肥地铁联络通道施工中的应用[J].中国标准化,2019(16):94-95.(GAOFu-hua.ApplicationoffreezingmethodinconstructionofconnectingpassageofHefeiMetro[J].ChinaStandardization,2019(16):94–95.(inChinese))

[2]武鹏.联络通道冷冻法施工技术[J].城市住宅,2019,26(05):173-174.(WUPeng.Constructiontechnologyofconnectionchannelbyfreezingmethod[J].City&House,2019,26(05):173–174.(inChinese))

[3]崔灏.超长地铁联络通道水平冻结温度场变化规律分析[J].城市轨道交通研究,2019,22(08):54-58.(CUIHao.Analysisofhorizontalfreezingtemperaturefieldvariationofsuper-longmetroconnectingpassage[J].UrbanMassTransit,2019,22(08):54–58.(inChinese))

[4]刘启清,黄君,翁国亮,田书广,李景阳.城际铁路盾构联络通道冻结法施工技术[J].铁道建筑,2019,59(06):55-58+73.(LIUQi-qing,HUANGJun-hong,etal.Freezingconstructiontechnologyofshieldconnectingpassageofintercityrailway[J].RailwayEngineering,2019,59(06):55-58+73.(inChinese))

[5]苏文德.冻结工法在富集海水地层下地铁联络通道施工中的应用研究[J].水利与建筑工程学报,2019,17(03):181-186.(SUWen-de.Journalofwaterresourcesandarchitecturalengineering[J].JournalofWaterConservancyandConstructionEngineering,2019,17(03):181–186.(inChinese))