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：

{}[]{}2

12

13⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+=S M S T

m βσσ

式中 {}{}[]T m S 000111σσ-=；()z y x m σσσσ++=3

1

()

φφ

βsin 33sin 2-=

； ()

φφσs i n 33c o s

6-=

c y

c —材料的内聚力，MPa ；φ—材料的内摩擦角。 屈服准则为：

{}[]{}02132

1

=-⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡+=y T

m S M S F σβσσ

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

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650 KN ，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：

表2

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445 KN，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：

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215 KN,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）