隧道-結(jié)構(gòu)計算分析

1、一、 計算原則和依據(jù)1、采用ANSYS有限元通用程序（注：該程序是目前唯一通過ISO9001國際認證的有限元計算分析程序）對竹籬曬網(wǎng)隧道進行結(jié)構(gòu)受力及變形分析。2、采用地層-結(jié)構(gòu)模型對暗挖隧道的受力和變形進行分析。3、分析對象為縱向?qū)?m的隧道結(jié)構(gòu)和地層。4、依據(jù)竹籬曬網(wǎng)隧道施工圖設計文件、公路路隧道設計規(guī)范等建立計算模型。二、 計算內(nèi)容對竹籬曬網(wǎng)隧道的計算，分別取洞口段、洞身段中V、IV、III級圍巖進行計算，取斷面計算如下：1、出洞段KY2+760（V級圍巖，采用雙側(cè)壁法施工）；2、洞身段KY2+480（IV級圍巖，采用環(huán)形臺階法施工）；3、洞身段KY2+500（III級圍巖，采用臺階法施

2、工）。三、 結(jié)構(gòu)計算模型、荷載1、計算模型采用隧道與地層共同作用的地層-結(jié)構(gòu)模式，模擬分析施工過程地層和結(jié)構(gòu)的受力及變形特點。計算模型所取范圍是：水平方向取隧道兩側(cè)3倍洞跨，而豎直方向，仰拱以下地層，以洞跨的3倍為限，即從仰拱至地層下3倍洞跨深度范圍，隧道拱頂以上地層：V級圍巖取至地面，IV、III級圍巖根據(jù)計算高度取值。計算中地層及初期支護（初襯噴砼及鋼架除外）采用了DP材料的彈塑性實體單元模擬，而初襯（鋼架噴砼）、二次襯砌采用彈性梁模擬，為使點和點之間位移協(xié)調(diào)，初襯和地層之間用約束方程聯(lián)系、初襯和二襯之間用只傳遞軸向壓力的鏈桿連接。ANSYS程序中，采用單元的“生”（KILL）、“死”（A

3、LIVE）來模擬襯砌和臨時支撐的施作和拆除過程，當單元“死”時，受力體系不受其影響，“死”單元的應力、應變不計（即內(nèi)力為0），而后被激“活”的單元不計以前自身應變，也就是說，“活”的單元只對以后應力發(fā)生變化時產(chǎn)生作用。2、計算荷載模擬開挖過程中，先計算初始應力，每開挖一步形成“毛洞”時，釋放一部分初始應力，施作支護時釋放余下的初始應力。有限元計算中，采用莫爾庫侖屈服準則對結(jié)構(gòu)的開挖過程進行彈塑性分析。也即采用Drucker-Prager（DP）模型計算結(jié)構(gòu)非線形的變形特性。其等效應力為： 式中 ； ； 材料的內(nèi)聚力，MPa；材料的內(nèi)摩擦角。屈服準則為： 計算時將地層以巖性和地質(zhì)特點劃分為幾個不

4、同的類別，各層計算時圍巖的物理力學指標依據(jù)施工圖中地質(zhì)詳勘報告加以選取。具體如表1所示。有限元計算圍巖物理力學參數(shù) 表1圍巖級別密度 (g/cm3)彈性抗力系數(shù)K(MPa/m)彈性模量（靜態(tài)）E（Mpa）泊松比內(nèi)摩擦角粘聚力C（MPa）1.85120120.40220.032.103506000.30370.152.50700120000.25450.5五、內(nèi)力計算及分析采用ANSYS有限元通用程序?qū)χ窕h曬網(wǎng)隧道結(jié)構(gòu)的計算分析，取得有代表性的結(jié)果如下：1、出洞段KY2+760（V級圍巖，采用雙側(cè)壁法施工）1）施工開挖過程中，隧道初襯的最大彎矩為97KN.m，對應軸力650 KN，初支滿足承載要

5、求。2）施工開挖過程和終態(tài)中，隧道二襯的最大彎矩、軸力如下表2：隧道內(nèi)力(標準值)及配筋表 表2部位彎矩(KN.m/m)軸力(KN/m)剪力(KN/m)配筋率(%)裂縫寬(mm)二襯拱頂234-115800.32/二襯側(cè)墻-115-1133-1560.32/二襯仰拱支座-357-14153540.32/二襯仰拱跨中219-125000.32/經(jīng)檢算，二襯滿足承載要求，設計圖中二襯配筋滿足強度和裂縫要求(本結(jié)構(gòu)不受裂縫控制)。3)施工開挖過程拱頂?shù)淖畲蟪两禐?1mm, 對應地面沉降為27mm 。從沉降圖中可以看出，地表的最大沉降為拆除其余臨時支撐、施做二襯時，比拆除支撐前變化較大,因此, 拆除支

6、撐為控制地表沉降的關鍵,經(jīng)初步檢算,縱向間距8m拆除一道臨時支撐時,滿足沉降要求。4）從沉降圖中看出，由于兩隧道相距較近（最小有15米），地層較差，兩隧道施工時產(chǎn)生一定的相互影響，故在V級圍巖中，兩側(cè)隧道施工時應該錯開一定距離，同時應該加強監(jiān)測，及時調(diào)整施工工序。4)施工開挖過程中最大應力為887KPa,洞周最大應力為211KPa,滿足地層承載要求。2、洞身段KY2+480（IV級圍巖，采用環(huán)形臺階法施工）1）施工開挖過程中，隧道初襯的最大彎矩為50KN.m，對應軸力445 KN，初支滿足承載要求。2）施工開挖過程和終態(tài)中，隧道二襯的最大彎矩、軸力如下表2：隧道內(nèi)力(標準值)及配筋表 表2彎矩

7、(KN.m/m)軸力(KN/m)剪力(KN/m)配筋率(%)裂縫寬(mm)二襯拱頂59-85800.31/二襯側(cè)墻-45-736-590.31/二襯仰拱支座-214-11101200.31/二襯仰拱跨中30-11010/經(jīng)檢算，二襯滿足承載要求，設計圖中二襯配筋滿足強度和裂縫要求(本結(jié)構(gòu)不受裂縫控制，仰拱跨中不配筋)。3)施工開挖過程中拱頂?shù)淖畲蟪两禐?0mm, 對應地面沉降為9mm ,滿足沉降要求。同時從沉降圖中看出，兩隧道施工相互影響很小，可不考慮。4)施工開挖過程中洞周最大應力為221KPa,滿足地層承載要求3、洞身段KY2+500（III級圍巖，采用臺階法施工）。1）施工開挖過程和終態(tài)

8、中，隧道二襯的最大彎矩為48KN.m、對應軸力215 KN,二襯可不需要配筋。2)施工開挖過程中地面的最大沉降很小（在圖中不顯示），沉降滿足規(guī)范要求。同時兩隧道施工的相互影響很小。六、計算結(jié)果附圖（施工開挖詳見相關圖紙）1、出洞段KY1+100（V級圍巖，采用雙側(cè)壁法施工）模型圖開挖步驟及結(jié)構(gòu)模型圖 開挖第一步時地面沉降圖（m）開挖第二步時地面沉降圖（m）開挖第三步時地面沉降圖（m）開挖第四步時地面沉降圖（m）開挖第五步時地面沉降圖（m）施作左側(cè)隧道二襯，隧道變形開挖第六步時地面沉降圖（m）開挖第六步時初支彎矩圖（KN.m/m）拆除左洞臨時支撐，施做二襯時地面沉降圖（m）開挖第七步時地面沉降圖（m）開挖第八步時地面沉降圖（m）開挖第九步時地面沉降圖（m）開挖第十步時地面沉降圖（m）開挖第十一步時地面沉降圖（m）開挖第十二步時地面沉降圖（m）開挖第十二步時初支彎矩圖（KN.m/m）拆除右洞臨時支撐，施做二襯時地面沉降圖（m）拆除右洞臨時支撐，施做二襯時初支彎矩圖（KN.m/m）拆除右洞臨時支撐，施做二襯時初支軸力圖（KN/m）拆除右洞臨時支撐，施做二襯時二襯彎矩圖（KN.m/m）拆除右洞臨時支撐，施做二襯時二襯軸力圖（KN/m）拆除右洞臨時支撐，施做二襯時二襯剪力圖（KN/m）應力圖（KPa）2、洞身段KY2+480