地铁U型槽施工过程数值模拟

程彬　卢靖

【摘要】根据有限元的基本原理，利用ANSYS有限元软件对地铁U型槽的施工过程进行了数值模拟。分析了在施工开挖过程中基坑围护结构地下连续墙及U型槽的内力变化和围岩的位移变化情况，为U型槽的设计和施工提供相关依据。

【关键字】ANSYS；有限元；数值模拟；U型槽

随着城市建设的不断加快，地铁建设在目前的城市交通建设中占据越来越重要的地位。地铁交通系统有着客容量大、安全可靠、准定快速、舒适和对环境污染小等特点。而在地铁设计中，隧道和高架桥的过渡段设计是不可避免的。目前国内大部分过渡段均采用U型槽的型式。本文就U型槽的施工过程进行了数值模拟，为U型槽的设计和施工提供相关依据。

一、工程概况

本工程为某地铁项目的桥隧过渡段，其结构形式为U型槽。U型槽采用C30钢筋混凝土现浇，厚度为100cm。临时支撑采用C20钢筋混凝土地下连续墙，厚度为80cm，高度为13m。横向支撑采用80×60cm的钢筋混凝土梁，在地下连续墙的上部设置一道。地层为黏性土，地下水位2m。其围岩及结构的物理力学参数见表1。本文模拟其地下段开挖宽度为9m，最大深度为6m处的U型槽在施工过程中的结构内力及位移变化。

本文采用有限元软件Ansys进行平面应力应变分析。围岩采用PLANE42单元，连续墙、U型槽、支撑采用BEAM3单元，利用生死单元对施工过程中进行数值模拟[1]。其模型及尺寸见图1。

计算模型约束为左右两侧施加水平方向的位移约束，下侧施加竖直方向的位移约束，上侧为自由端。施加荷载为重力荷载。其模型在重力作用下的竖向位移云图见图2，地表最大沉降值为277.766mm。

二、施工过程模拟

本模型计算施工过程为：先进行地下连续墙的施工，然后开挖至3m后在顶部设置横向支撑，再开挖至6m，最后浇筑U型槽并拆除横向支撑。

三、计算结果及分析

在U型槽施工过程中，地面的最大竖向位移值为289.323mm，最大水平位移值为31.151mm。其竖向位移值整体呈随着开挖深度的增加而增加；水平位移值也随着开挖深度的增加整体呈增加的趋势，但是在加上横向支撑后，水平位移值有变小的趋势。最后施工完后，由于地下连续墙和U型槽共同作用下，其水平位移值只有12.776mm，且其最大值出现在基坑顶部及地下连续墙底部。如图3～10所示。

弯矩和剪力最大值的作用点整体上随着开挖深度的增加而下移，但在设置横向支撑后，其最大值作用点移动到地下连续墙顶部，而后随开挖深度增加而下移。施工结束后，由于U型槽的作用下，其剪力值和弯矩值在U型槽底板处均有明显的突变，且此处为最大值的作用点。

四、结论

通过对U型槽在施工过程中的有限元分析，得到以下结论：

1、随着开挖深度的增加，围岩的竖向和水平位移值整体呈增加的趨势。

2、横向支撑对围岩的水平位移值有着明显减小的作用。

3、地下连续墙的弯矩和剪力值整体上都随着开挖深度的增加而增加。但在施工结束后，由于地下连续墙和U型槽共同作用下，其值有着明显的降低。

4、U型槽的最大轴力值出现在底板处，为受压，其轴力值在两侧板出呈线性变化，且从上到下逐渐增加；最大剪力值出现在底板与侧板的结合部位；最大弯矩值出现在底板中部，其次为底板与侧板的结合部位，均为外侧受拉。

参考文献

[1]. 李围 隧道及地下工程ANSYS实例分析[ M] . 中国水利水电出版社， 2008.