隧道-结构计算分析

1一、计算原则和依据1、采用ANSYS有限元通用程序（注：该程序是目前唯一通过ISO9001国际认证的有限元计算分析程序）对竹篱晒网隧道进行结构受力及变形分析。2、采用地层-结构模型对暗挖隧道的受力和变形进行分析。3、分析对象为纵向宽1m的隧道结构和地层。4、依据《竹篱晒网隧道施工图设计文件》、《公路路隧道设计规范》等建立计算模型。二、计算内容对竹篱晒网隧道的计算，分别取洞口段、洞身段中V、IV、III级围岩进行计算，取断面计算如下：1、出洞段KY2+760（V级围岩，采用双侧壁法施工）；2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）；3、洞身段KY2+500（III级围岩，采用台阶法施工）。三、结构计算模型、荷载1、计算模型采用隧道与地层共同作用的地层-结构模式，模拟分析施工过程地层和结构的受力及变形特点。计算模型所取范围是：水平方向取隧道两侧3倍洞跨，而竖直方向，仰拱以下地层，以洞跨的3倍为限，即从仰拱至地层下3倍洞跨深度范围，隧道拱顶以上地层：V级围岩取至地面，IV、III级围岩根据计算高度取值。计算中地层及初期支2护（初衬喷砼及钢架除外）采用了DP材料的弹塑性实体单元模拟，而初衬（钢架喷砼）、二次衬砌采用弹性梁模拟，为使点和点之间位移协调，初衬和地层之间用约束方程联系、初衬和二衬之间用只传递轴向压力的链杆连接。ANSYS程序中，采用单元的“生”（KILL）、“死”（ALIVE）来模拟衬砌和临时支撑的施作和拆除过程，当单元“死”时，受力体系不受其影响，“死”单元的应力、应变不计（即内力为0），而后被激“活”的单元不计以前自身应变，也就是说，“活”的单元只对以后应力发生变化时产生作用。2、计算荷载模拟开挖过程中，先计算初始应力，每开挖一步形成“毛洞”时，释放一部分初始应力，施作支护时释放余下的初始应力。有限元计算中，采用莫尔—库仑屈服准则对结构的开挖过程进行弹塑性分析。也即采用Drucker-Prager（DP）模型计算结构非线形的变形特性。其等效应力为：21213SMSTm式中TmS000111；zyxm31sin33sin2；sin33cos6cyc—材料的内聚力，MPa；—材料的内摩擦角。屈服准则为：3021321yTmSMSF计算时将地层以岩性和地质特点划分为几个不同的类别，各层计算时围岩的物理力学指标依据施工图中《地质详勘报告》加以选取。具体如表1所示。有限元计算围岩物理力学参数表1围岩级别密度ρ(g/cm3)弹性抗力系数K(MPa/m)弹性模量（静态）E（Mpa）泊松比μ内摩擦角φ粘聚力C（MPa）Ⅴ1.85120120.40220.03Ⅳ2.103506000.30370.15Ⅲ2.50700120000.25450.5五、内力计算及分析采用ANSYS有限元通用程序对竹篱晒网隧道结构的计算分析，取得有代表性的结果如下：1、出洞段KY2+760（V级围岩，采用双侧壁法施工）1）施工开挖过程中，隧道初衬的最大弯矩为97KN.m，对应轴力650KN，初支满足承载要求。2）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩、轴力如下表2：隧道内力(标准值)及配筋表表2部位弯矩(KN.m/m)轴力(KN/m)剪力(KN/m)配筋率ρ(%)裂缝宽ω(mm)二衬拱顶234-115800.32/二衬侧墙-115-1133-1560.32/二衬仰拱支座-357-14153540.32/4二衬仰拱跨中219-125000.32/经检算，二衬满足承载要求，设计图中二衬配筋满足强度和裂缝要求(本结构不受裂缝控制)。3)施工开挖过程拱顶的最大沉降为31mm,对应地面沉降为27mm。从沉降图中可以看出，地表的最大沉降为拆除其余临时支撑、施做二衬时，比拆除支撑前变化较大,因此,拆除支撑为控制地表沉降的关键,经初步检算,纵向间距8m拆除一道临时支撑时,满足沉降要求。4）从沉降图中看出，由于两隧道相距较近（最小有15米），地层较差，两隧道施工时产生一定的相互影响，故在V级围岩中，两侧隧道施工时应该错开一定距离，同时应该加强监测，及时调整施工工序。4)施工开挖过程中最大应力为887KPa,洞周最大应力为211KPa,满足地层承载要求。2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）1）施工开挖过程中，隧道初衬的最大弯矩为50KN.m，对应轴力445KN，初支满足承载要求。2）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩、轴力如下表2：隧道内力(标准值)及配筋表表2弯矩(KN.m/m)轴力(KN/m)剪力(KN/m)配筋率ρ(%)裂缝宽ω(mm)二衬拱顶59-85800.31/二衬侧墙-45-736-590.31/5二衬仰拱支座-214-11101200.31/二衬仰拱跨中30-11010//经检算，二衬满足承载要求，设计图中二衬配筋满足强度和裂缝要求(本结构不受裂缝控制，仰拱跨中不配筋)。3)施工开挖过程中拱顶的最大沉降为10mm,对应地面沉降为9mm,满足沉降要求。同时从沉降图中看出，两隧道施工相互影响很小，可不考虑。4)施工开挖过程中洞周最大应力为221KPa,满足地层承载要求3、洞身段KY2+500（III级围岩，采用台阶法施工）。1）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩为48KN.m、对应轴力215KN,二衬可不需要配筋。2)施工开挖过程中地面的最大沉降很小（在图中不显示），沉降满足规范要求。同时两隧道施工的相互影响很小。6六、计算结果附图（施工开挖详见相关图纸）1、出洞段KY1+100（V级围岩，采用双侧壁法施工）模型图开挖步骤及结构模型图7开挖第一步时地面沉降图（m）8开挖第二步时地面沉降图（m）开挖第三步时地面沉降图（m）9开挖第四步时地面沉降图（m）开挖第五步时地面沉降图（m）施作左侧隧道二衬，隧道变形10开挖第六步时地面沉降图（m）开挖第六步时初支弯矩图（KN.m/m）11拆除左洞临时支撑，施做二衬时地面沉降图（m）开挖第七步时地面沉降图（m）12开挖第八步时地面沉降图（m）开挖第九步时地面沉降图（m）13开挖第十步时地面沉降图（m）开挖第十一步时地面沉降图（m）14开挖第十二步时地面沉降图（m）开挖第十二步时初支弯矩图（KN.m/m）15拆除右洞临时支撑，施做二衬时地面沉降图（m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时初支弯矩图（KN.m/m）16拆除右洞临时支撑，施做二衬时初支轴力图（KN/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬弯矩图（KN.m/m）17拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬轴力图（KN/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬剪力图（KN/m）18应力图（KPa）2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）；模型图开挖步骤及结构模型图19地面沉降图（m）20二衬弯矩图（KN.m/m）二衬轴力图（KN/m）21应力图（KPa）3、洞身段KY1+500（III级围岩，采用台阶法施工）；模型图开挖步骤及结构模型图22二衬弯矩图（KN.m/m）23二衬轴力图（KN/m）