大跨度隧道临时支撑析除的动力学分析
摘 要:本文凭借大型常用有限元分析软件ANSYS对隧道支护拆除过程进行了模拟与分析，即对支撑以及二次衬砌的动力学施工过程进行了详细的探讨。
关键词:大跨度;随道;撑护;模拟;施工
当前，对于隧道结构计算而言，最为常用的方法主要有两种，即地层结构与载荷结构。所谓地层结构，就是以地层为主体，用地层作为承载作用结构，要求地层的承载限值、能力达到一定程度，才能满足其结构承载。整体来说，分为圆形结构与非圆形不规则结构，可凭借复变函数的保教映射方法去获得计算解析过程。而对于载荷结构，主要凭借假象分布方式的被动力进行模拟，具体计算方法和地层结构计算类似。但是，此种方法要求载荷条件要足够明确，才能根据力学计算方法具体细化。
本文主要对撑护拆除过程逐步展开分析，并主要以载荷结构法为计算原则。以广州地铁区庄站六号线南段为例，对所拆除动工的临时支护及二次衬砌过程中的初期支护、结构内力、位移变化程度等加以研究与分析。
1ANSYS软件特征及其应用
ANSYS是一个较为常用的大型应用有限元单元库软件，且它的每一单元都具备“激活”和“消灭”的功能，即直接对应EALIVE与EKILL下达命令。“激活”能够赋予单元承载特性，“消灭”主要是将单元进行虚化，实际上并不纳人到承载行列。在应用到隧道施工结构中，通常被赋予特胜的“激活单元”，能够模拟结构的受力状态，将受力结构中的部分单元激活，倘若这时未受到其他新的载荷作用，则此时结构原本状态下的内力和其变形不会发生改变，并且被激活的单元也不受此影响，不会发生内力与变形的变化;反之，如果结构上出现了其他载荷作用，在被赋予激活特胜的单元会出现变形及应力上的变化。值得指出的是，支撑结构是有着质量的，所以必然也会产生一定的内力与变形，当然这也就是理论模型与实际的差别。“消灭单元”主要指整体结构中拆掉一些支撑结构，当然在拆除过程中，必然会引起支护的内力反作用于整体结构，进而影响整体结构的应力及其变形的变化。
单元活灭技术凭借单元功能的“活”和“灭”来改变求解区域。即凭借改变单元刚度矩阵实现隧道撑护拆除施工过程的模拟。其基本设计方向为:在起点设计状态下，构建一次性的支撑机构的有限模型，进而“消灭”这些单元，使结构保持初始状态。然后再按照常规工序以此进行“激活”相应的功能单元，对其赋予模拟化的载荷作用，就能够全程追踪施工全程的机构受理情况，一旦在结构中去除临时撑护时，就会有相应的“消灭”功能来杀灭该单元，从而把节点力反作用在结构之中。
2工程概况
广州地铁区庄站位于环市东路和农林下路交叉路口处，为5号线和6号线的换乘站，采用浅埋暗挖法施工。5号线采用双洞单跨隧道，6号线南段采用双层3跨隧道，为浅埋暗挖大跨隧道，w类围岩。本文主要研究6号线南段。
3拆撑状态下的有限元分析过程
3.1模型计算拟定
在浅埋大跨度隧道有限元的构建模型中，为计算方便，设计如下拟定计算方式:地表与土层间的均匀水平分布;把影响施工的地下水因素剔除;撑护结构建筑原材采取线弹性本构关系。
3.2计算模型与物理力学具体参数设定
采用ANSYS来模拟隧道撑护施工过程，针对撑护施工初期时，采取壳单元，而诸如二次衬砌、桥板、梁以及钢制建筑原材等均设定为实体单元。由于弹性抗力是凭借结构整体周围的受压弹簧决定的，所以对此运用弹簧单元加以分析。该站的相关地质勘测资料表明，此地层的抗力系数K值为250MPa/m。因此，可采取下列公式，计算出弹性模量:
Egh=0.85 x [(1-p) ) x Eh + p x Eg
在此公式中，Egh沙就是钢管混凝土的弹性模量，Eh为混凝土的弹性模量; Eg是钢管弹性模量;p=10 x t/d，其中吠表钢管壁厚度，d为钢管的外径，p取值为住04~0.12之间，如果低于0刀4就以0.04计，高于0.012就按照0.022计。
3.3结果分析
在模拟计算程序中，对于中洞的拆除以及二次衬砌施工阶段，初期支护Y轴方向的最大位移会发生在中洞仰拱及隧道结构上部周围，并且任意拆撑长度的位移变化程度不会太大。
中洞拆除后，侧洞、仰拱及二次衬砌即开始施工。此时，沿支护Y轴方向的位移变化要比中洞拆除时的位移变化大，而当临时撑护拆除的全部工序进行完毕后，初期支护Y轴方向位移已经趋于稳定状态。与此同时，Y轴方向的最大位移也会发生在中洞仰拱以及隧道上部结构周围。
二次衬砌的最大位移基本上是围绕隧道中洞及仰拱处变化。
4内力分布特征
在此隧道临时撑护拆除的施工阶段，其每道工序之间与初期撑护所体现的作用支撑最大应力，基本上呈现规律性的变化，并表现为应力逐步递增。值得指出的是，在初期支护与其对应的每道拆撑工序，所体现的内力变化微乎其微。因此，对于拆撑长度完全可以参考 ANSYS模拟程序计算结果，并结合具体施工进行设定。
在表1车站施工步序中，根据步序1~4的最大弯矩，可以判断出其弯矩属性是正弯矩，并且最大弯矩发生在中洞仰拱周围;在步序5后，依次发生变化，尤其是步序6~9中，其最大弯矩正好与步序1~4相对应，即为负弯矩，并且发生在二三层临时撑护的中间部位处。
5结论
本文凭借ANSYS大型有限元单元数据库软件，对广州地铁区庄6号线的车站进行了模拟，进而讨论r其支护拆除的变化因素等，并且以载荷结构法为计算原则，用ANSYS进行模拟计算，现总结如下:
研究表明，此工程隧道二次衬砌结构在施工阶段经历了如下三个主要工况:其一，中洞撑护拆除开始，仰拱二次衬砌便开始作业;其二，当中洞二次衬砌施工后，便是左侧洞的拆
作业及其二次衬砌，即步序7;其三，右侧洞的拆撑作业及二次衬砌，即步序8。
诸如大跨度地铁浅埋暗挖隧道撑护拆除工程，其结构内力的变化过程比较复杂。在实际施工中，除了必须考虑衬砌结构及二次衬砌、结构应力分布、与各个整体构件之间的载荷作用、位移变化程度等发生的改变，还要考虑结合具体施工场所及环境因素等，才能使模型的模糊设计与实际情况相符，提高施工安全系数，进而保障施工质量;另外，对于大跨度隧道撑护的拆除工程，设士队员及施工人员等均要提高质量和安全意识;工程技术人员要对施工过程中的物理力学因素高度重视，科学分析不利工况，这样才能保障撑护拆除的顺利进行。
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