长安大学马恩临博士：MatDEM浅埋地铁隧道塌方过程模拟

导读：大家好，我是马恩临，长安大学公路学院桥梁与隧道工程博士三年级，目前正在芬兰阿尔托大学进行联合培养，主要从事基于边界元的岩石应力-渗流-损伤分析。此前在国内参与了一系列国家级科研课题，主要包括智慧监控平台开发、机器学习、有限元数值模拟。与此同时，我也是一名MatDEM离散元模拟初学者，在仿真秀和MatDEM官方群与志同道合的朋友们一起交流离散元岩土分析技术经验。

4月27日20时，笔者受仿真秀平台邀请在此分享自己的论文成果，希望与各位老师同学一起探讨、共同进步。最后诚邀大家关注我的公开课，详情见后文。

一、案例背景

西安市现有地裂缝14条，其活动周期和规模较为罕见。针对地裂缝地区地铁隧道建造难题，已有相关学者进行了一系列研究。以西安地铁3号线某暗挖隧道近接地裂缝塌方为例，采用MatDEM模拟了塌方过程，分析了塌方潜在原因及机理。

根据塌方后的现场观测情况，该案例的一个典型特征是隧道初期支护在塌方过程中保持了结构完整性，如图1所示。此外，事故发生地点与地裂缝仍有一定距离，属于黄土软弱地层。

图1 隧道塌方情况

二、MatDEM模拟过程

模拟基于MatDEM示例中的隧道管片Example，所进行的调整包括两部分：①地层划分、②半圆形隧道（因为塌方断面处隧道下台阶尚未开挖）。因此，程序同样包括三部分：①颗粒堆积、②地层划分与材料、③隧道开挖。

1. 颗粒堆积：在第一个文件中设置模型箱大小、粒径。沉积于压实部分用到的命令：B.gravitySediment()、B.compactSample()。

2. 地层划分与材料：根据现场地勘结果，采用Tool_Cut将地层划分为4部分。设置材料之后再一次平衡：d.balanceBondedModel()、d.balance('Standard',1)。

3. 隧道开挖：进行隧道平面应变二维模拟时，隧道需要用getColumnFilter进行建模。我们可以简单调整该文件中的代码以修改隧道尺寸、位置。为了再现案例中衬砌未发生显著破坏这一特征，可以将衬砌设置为团簇（setClump）。半圆形隧道的建模需要改写“getColumnFilter.m”文件。

三、MatDEM模拟结果

MatDEM中的标准平衡表示开挖、压缩等产生的大部分动能消散的过程，即应力波的完全扩散。为了重现塌方过程，进行了1.2次标准平衡，并将其分为三个相等的部分，即0.4倍标准时间步长，在现实世界中约代表1.2秒。图2为塌方破坏的模拟过程。

图2  隧道塌方过程模拟

从图中可以看出，对于工程尺度而言，所采用的颗粒粒径已经非常小，此时，从模型中可以观察到两个与实际情况吻合的特征：

• ①上台阶支护结构侵入土体

• ②隧道上方的空洞（松动区）

如图3所示。在坍塌过程中，地表沉降不明显，而隧道上方的软黄土地层出现了更多空洞，这是地层损失的替代结果。模拟与实际情况是相符的，在事故现场从隧道及地表对这些空洞区域进行了注浆处理，以防止潜在的地面沉降。

另外，在塌方前期，地层中的力链也较为明显：衬砌底部附近的“力链”向下延伸。由于土体摩擦阻力，力链随着衬砌下沉逐渐消失。力链已在实际岩土试验中得到证实，但很难在有限元中进行模拟。相比之下，MatDEM在这方面可以更好地揭示该隧道塌方破坏的原因。

图3  模拟结果中的空洞与力链

四、我的公开课

该模拟的主要不足之处在于：

• （1）缺乏与弹塑性接触模型等其他接触模型的比较；

• （2）缺乏地表降水流动和侵蚀过程。

可以看出，本次模拟大体上是基于MatDEM官方示例的。

以下几点是我的心得体会：

• 要重视MatDEM官方示例文件，找到一个与自己的目标模型较为接近的案例就已经成功一半了；
• 粒径会影响结果，可能包括应力分布以及数值大小。建议大家对结果不满意时可以尝试减小粒径；
• 我们进行数值模拟的目的是预测或者再现。如果是再现某过程，那么针对该过程的一些特点进行模型设置是必要的。例如本次模拟隧道衬砌被设置为团簇，不可破坏。

4月27日周三晚20时，笔者受仿真秀平台邀请，直播分享《基于MatDEM黄土软弱地层浅埋地铁隧道塌方模拟》，感兴趣的朋友可以进入仿真秀直播间进行交流，以下是我的课程安排：