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

2、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”（A

3、LIVE）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

4、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 (g/cm3)弹性抗力系数K(MPa/m)弹性模量（静态）E（Mpa）泊松比内摩擦角粘聚力C（MPa）1.85120120.40220.032.103506000.30370.152.50700120000.25450.5五、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650 KN，初支满足承载要

5、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(%)裂缝宽(mm)二衬拱顶234-115800.32/二衬侧墙-115-1133-1560.32/二衬仰拱支座-357-14153540.32/二衬仰拱跨中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

6、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：隧道内力(标准值)及配筋表 表2弯矩

7、(KN.m/m)轴力(KN/m)剪力(KN/m)配筋率(%)裂缝宽(mm)二衬拱顶59-85800.31/二衬侧墙-45-736-590.31/二衬仰拱支座-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

8、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）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