重疊隧道結構內力演變的三維彈塑性數值模擬資料

1、重疊隧道結構內力演變的三維彈塑性數值模擬摘要:為了探討重疊隧道近接施工引起的結構內力演變規(guī)律,以深圳地鐵老街大劇院區(qū)間重疊隧道為背景,進行了三維彈塑性有限元分析.考慮了“先上洞,后下洞”和“先下洞,后上洞”2種施工順序.研究結果表明:隨著后施工隧道的掘進,先施工隧道的環(huán)向內力發(fā)生偏轉,產生縱向內力,并呈現明顯的波動性以及受開挖影響的局域性和臨時性;后施工隧道的縱向影響范圍,在級圍巖中約為3倍洞徑,在級圍巖中約為5倍洞徑.關鍵詞:重疊隧道;近接施工;開挖模擬;內力演變隨著對交通設施需求的不斷增加,有時需要在既有隧道旁新建隧道或者一次性修建多孔近距離平行或交叉隧道.國外對這類問題研究較多,有的已形

2、成設計、施工指南.如日本對近接既有鐵路隧道的施工問題進行了較全面的研究,并形成了指南,但多基于經驗1,2.近年來,隨著這類工程實例的增多,國內對近接施工過程、車致振動響應、施工過程的智能預測與控制等方面進行了研究,并取得了一些成功的經驗,典型的工程有“深圳地鐵一期工程重疊隧道”、“上海明珠線二期近距離交疊隧道”等3,但研究尚處于從個案上升到理論的階段.從已有的研究來看,后施工隧道開挖將使圍巖應力場在原來多次演變的基礎上再次演變,造成既有隧道的安全性以及相互影響帶來的工法、工序和對策優(yōu)化等問題.由于空間關系、隧道施工順序、地質條件和施工方法等不同,影響程度也不同,需要進行與施工過程相關的三維數值

3、模擬分析1.文獻4,5中對2個重疊隧道工程進行了二維和三維有限元分析,但主要研究地層位移和圍巖應力的演變過程及影響,而對近接隧道的內力演變過程缺乏深入研究.鑒于此,本文中采用ANSYS軟件,通過對深圳地鐵一期工程中礦山法施工的重疊隧道的三維彈塑性有限元分析,對先施工隧道結構內力受后施工隧道開挖影響的演變規(guī)律進行了研究.1工程背景在深圳地鐵一期工程的規(guī)劃設計中,由于受沿線建(構)筑物的限制,2條區(qū)間隧道采取上下重疊、交錯布置的形式,集中在羅湖國貿老街大劇院3個區(qū)間.根據羅湖國貿、國貿老街和老街大劇院3個區(qū)間隧道的地質勘察資料,羅湖國貿區(qū)間隧道所處位置大多為軟弱圍巖,用盾構法施工.國貿老街和老街大

4、劇院區(qū)間隧道的圍巖條件較好,并因樁基托換及切樁原因,采用礦山法施工.國內外采用盾構法施工復雜線型近接隧道的先例較多,技術較為成熟,施工風險小.而老街大劇院區(qū)間的2條區(qū)間隧道從上下重疊逐漸過渡到水平并行,為礦山法施工的雙洞重疊交錯結構,線形和結構受力均十分復雜,近接施工的影響明顯,是研究的重點.老街大劇院分叉段結構三維模型及其典型橫斷面見圖1.斷面390和斷面480分別代表CK2+390斷面和CK2+480斷面.2有限元模型2.1計算范圍及材料的物理力學指標計算范圍的選取綜合考慮了兩洞凈距和計算規(guī)模等因素.研究區(qū)段內雙洞重疊的開始斷面為CK2+390,考慮到端面的約束效應,計算范圍增加了CK2+

5、360CK2+390的30m單洞雙層段.截止斷面宜取至兩洞凈距大于1倍洞徑(約6m,即地鐵常規(guī)區(qū)段的凈距)處,而在CK2+530處兩洞凈距為6.1m,同樣考慮端面效應,計算范圍再增加30m.因此,整個模型的計算范圍從CK2+360至CK2+560,共200m6.隧道斷面圍巖范圍一般取35倍洞徑(約2030m),考慮到雙洞開挖的應力重分布效應,取隧道斷面范圍寬×高=80m×75m.有限元模型見圖2,圍巖縱向分層見圖3,材料參數見表1.根據各典型斷面地質資料,斷面390和斷面480隧道分別處于級和級圍巖中.材料參數根據地質勘察報告并結合規(guī)范取值,圍巖根據現行鐵路隧道規(guī)范分級.2

6、.2基本工況圍巖和襯砌結構用空間實體單元模擬.邊界條件均采用位移邊界條件,上邊界取至地面,為自由面,兩側面、底面及兩端面均受法向約束.數值模擬計算采用彈塑性模型,Drucker-Prager屈服準則,分析采用大型通用有限元程序ANSYS.3結果分析限于篇幅,僅給出工況1先施工隧道內力受后施工隧道開挖影響的變化過程,而對工況2只列出其最大值和最大變化值.因主要依賴典型斷面進行分析,因此選取CK2+390和CK2+480斷面.3.1環(huán)向內力的變化過程隧道環(huán)向內力主要包括環(huán)向彎矩Mz和環(huán)向軸力N.Mz為每延米寬隧道襯砌截面繞z軸的彎矩,以內側受拉為正,外側受壓為負.軸力以受拉為正,受壓為負.表2為開

7、挖全過程中環(huán)向內力的變化,圖4和圖5分別為在工況1的情況下隧道兩斷面上洞襯砌的環(huán)向彎矩.圖4和圖5中,括號內的數字為后施工隧道工作面相對于考察斷面的位置(以隧道開挖方向為正方向,工作面位于考察斷面前為正,反之為負).從圖4可見,隨下洞的開挖,斷面390上洞襯砌(先施工隧道)各截面彎矩明顯減小,尤其是拱頂和仰拱底處,減幅達60%左右.此外,由于斷面390及其相鄰區(qū)段兩洞基本重疊,因此其內力圖并無明顯的不對稱.從圖5可見,斷面480上洞襯砌的彎矩圖在未受下洞開挖影響前基本對稱,隨下洞的開挖,彎矩圖明顯偏轉,拱頂與仰拱底處負彎矩均減小,而左拱腳與右拱腰處正彎矩明顯增大,尤以左墻腳和仰拱底為甚,變化幅

8、度均高達50kN·m.在基本重疊段,下洞開挖使上洞結構的豎向壓力因向兩側圍巖轉移而減小,從而使上洞襯砌彎矩減小;在兩洞交錯段,雖然最大彎矩值并不增大,但彎矩圖出現明顯偏轉,靠下洞左墻腳處顯著增大,相應地仰拱底處明顯減小.此外,隨兩洞水平間距的增大,內力的非對稱性十分明顯,最大變化值一般發(fā)生在兩洞中心的連線或與之垂直方向.從表2還可見,就最大內力變化值而言,工況1大于工況2,即單純從內力的影響程度來看,工況1相對不利.環(huán)向彎矩的最大變化值,級圍巖中的工況1比工況2約增大48%,級圍巖中約增大59%.隧道結構橫斷面應根據環(huán)向彎矩包絡圖進行設計,工況1先施工隧道的環(huán)向彎矩包絡圖見圖6.3.

9、2縱向彎矩的變化所謂縱向彎矩,此處是指將隧道結構在縱向看成置于圍巖中的箱梁結構而得到的梁截面彎矩,它有2個分量Mx和My.由于襯砌結構均用實體單元模擬,因此需要根據程序輸出的節(jié)點力進行換算:式中:Mx,My分別為襯砌斷面繞x軸和y軸的彎矩,正負號依據右手法則;i為襯砌斷面的單元編號;j為相應單元的節(jié)點順序編號;Fz,ij為i單元j節(jié)點的節(jié)點力;xij,yij分別為i單元j節(jié)點距襯砌橫斷面形心x和y方向的距離.工況1斷面390和斷面480縱向彎矩與下洞工作面的位置關系如圖7.從圖7可見,在斷面390處,上洞結構縱向彎矩開始時(-30m處)為0,隨下洞的開挖,工作面在-20m處時,Mx出現負值(上

10、側受拉),在5m處時出現正值;My圖在施工全過程中為負值,在工作面鄰近考察斷面10m左右時劇烈變化,與考察斷面基本重合時達到最大,但其值較小.可見,縱向彎矩最大值一般出現在工作面前后15m內.在斷面480處,當工作面在-30m處時,上洞縱向彎矩Mx開始出現負值(上側受拉),在-5m處達到最大值;正彎矩(下側受拉)一般在工作面位于-3m處時開始出現,在5m處達到最大值;當工作面過25m位置后,Mx基本趨于穩(wěn)定.與斷面390相比,雖然斷面480兩隧道凈距變大,但縱向彎矩最大值比斷面390大,說明圍巖條件的影響更大.此外,My對合成彎矩的貢獻更大,與空間位置的變化吻合.從圖7中還可以看到,Mx和My

11、均具有波動性和受近接施工影響的局域性、臨時性.縱向影響范圍,在級圍巖中約為3倍(后施工)隧道洞徑,在級圍巖中約為5倍隧道洞徑,其發(fā)生、發(fā)展和消失與開挖引起的荷載釋放規(guī)律一致,說明下洞開挖的卸載過程,就是上洞結構的加載過程,其本質是下洞開挖引起圍巖應力重分布.縱向內力所具有的局域性、臨時性說明,可以考慮在工作面前后一定范圍內對先施工隧道進行臨時設防.同樣,縱向結構應按縱向彎矩包絡圖進行設計.工況1級圍巖中隧道的縱向彎距包絡圖如圖8.根據本文的數值模擬結果,可以得到以下認識:(1)從先施工隧道的內力演變來看,“先施工下洞,后施工上洞”的安全性優(yōu)于“先施工上洞,后施工下洞”的施工順序.(2)隨后施工

12、隧道的掘進,先施工隧道的環(huán)向內力發(fā)生偏轉(兩洞中心連線方向增大,與之垂直方向減小);縱向內力開始為0,并呈現明顯的波動性和受開挖影響的局域性和臨時性,因此,施工過程中可以只對距工作面一定范圍內的先施工隧道采用臨時措施.(3)縱向影響范圍,在級圍巖中約為(后施工)隧道洞徑的3倍,在級圍巖中約為(后施工)隧道洞徑的5倍.(4)按內力包絡圖對二次襯砌進行設計較為合理.參考文獻:1仇文革.地下工程近接施工力學原理與對策研究D.成都:西南交通大學土木工程學院,2003.2關寶樹.隧道工程施工要點集M.北京:人民交通出版社,2003:320-328.3陳衛(wèi)軍,朱忠隆.近距離交疊隧道研究現狀及評析J.現代隧

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