隧道结构计算分析.docx
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隧道结构计算分析
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:
式中
;
;
—材料的内聚力,MPa;
—材料的内摩擦角。
屈服准则为:
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)
Ⅴ
1.85
120
12
0.40
22
0.03
Ⅳ
2.10
350
600
0.30
37
0.15
Ⅲ
2.50
700
12000
0.25
45
0.5
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
-1158
0
0.32
/
二衬侧墙
-115
-1133
-156
0.32
/
二衬仰拱支座
-357
-1415
354
0.32
/
二衬仰拱跨中
219
-1250
0
0.32
/
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
-858
0
0.31
/
二衬侧墙
-45
-736
-59
0.31
/
二衬仰拱支座
-214
-1110
120
0.31
/
二衬仰拱跨中
30
-1101
0
/
/
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。
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
开挖第一步时地面沉降图(m)
开挖第二步时地面沉降图(m)
开挖第三步时地面沉降图(m)
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
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)
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)
开挖第八步时地面沉降图(m)
开挖第九步时地面沉降图(m)
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)
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)
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)
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)
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)
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
地面沉降图(m)
二衬弯矩图(KN.m/m)
二衬轴力图(KN/m)
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
二衬弯矩图(KN.m/m)
二衬轴力图(KN/m)
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