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《重叠隧道结构内力演变三维弹塑性数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、重叠隧道结构内力演变的三维弹塑性数值模拟摘 要:为了探讨重叠隧道近接施工引起的结构内力演变规律,以深圳地铁老街—大剧院区间重叠隧道为背景,进行了三维弹塑性有限元分析.考虑了“先上洞,后下洞”和“先下洞,后上洞”2种施工顺序.研究结果表明:随着后施工隧道的掘进,先施工隧道的环向内力发生偏转,产生纵向内力,并呈现明显的波动性以及受开挖影响的局域性和临时性;后施工隧道的纵向影响范围,在Ⅲ级围岩中约为3倍洞径,在Ⅴ级围岩中约为5倍洞径.关键词:重叠隧道;近接施工;开挖模拟;内力演变10随着对交通设施需求的不断增加,有时需要在既有隧道旁新建隧道或者一次性修建多孔近距离平行或
2、交叉隧道.国外对这类问题研究较多,有的已形成设计、施工指南.如日本对近接既有铁路隧道的施工问题进行了较全面的研究,并形成了指南,但多基于经验[1,2].近年来,随着这类工程实例的增多,国内对近接施工过程、车致振动响应、施工过程的智能预测与控制等方面进行了研究,并取得了一些成功的经验,典型的工程有“深圳地铁一期工程重叠隧道”、“上海明珠线二期近距离交叠隧道”等[3],但研究尚处于从个案上升到理论的阶段.从已有的研究来看,后施工隧道开挖将使围岩应力场在原来多次演变的基础上再次演变,造成既有隧道的安全性以及相互影响带来的工法、工序和对策优化等问题.由于空间关系、隧道施工
3、顺序、地质条件和施工方法等不同,影响程度也不同,需要进行与施工过程相关的三维数值模拟分析[1].文献[4,5]中对2个重叠隧道工程进行了二维和三维有限元分析,但主要研究地层位移和围岩应力的演变过程及影响,而对近接隧道的内力演变过程缺乏深入研究.鉴于此,本文中采用ANSYS软件,通过对深圳地铁一期工程中矿山法施工的重叠隧道的三维弹塑性有限元分析,对先施工隧道结构内力受后施工隧道开挖影响的演变规律进行了研究.1工程背景在深圳地铁一期工程的规划设计中,由于受沿线建(构)筑物的限制,2条区间隧道采取上下重叠、交错布置的形式,集中在罗湖—国贸—老街—大剧院3个区间.10根据
4、罗湖—国贸、国贸—老街和老街—大剧院3个区间隧道的地质勘察资料,罗湖—国贸区间隧道所处位置大多为软弱围岩,用盾构法施工.国贸—老街和老街—大剧院区间隧道的围岩条件较好,并因桩基托换及切桩原因,采用矿山法施工.国内外采用盾构法施工复杂线型近接隧道的先例较多,技术较为成熟,施工风险小.而老街—大剧院区间的2条区间隧道从上下重叠逐渐过渡到水平并行,为矿山法施工的双洞重叠交错结构,线形和结构受力均十分复杂,近接施工的影响明显,是研究的重点.老街—大剧院分叉段结构三维模型及其典型横断面见图1.断面390和断面480分别代表CK2+390断面和CK2+480断面.2有限元模型
5、2.1计算范围及材料的物理力学指标计算范围的选取综合考虑了两洞净距和计算规模等因素.研究区段内双洞重叠的开始断面为CK2+390,考虑到端面的约束效应,计算范围增加了CK2+360~CK2+390的30m单洞双层段.截止断面宜取至两洞净距大于1倍洞径(约6m,即地铁常规区段的净距)处,而在CK2+530处两洞净距为6.1m,同样考虑端面效应,计算范围再增加30m.因此,整个模型的计算范围从CK2+360至CK2+560,共200m[6].10隧道断面围岩范围一般取3~5倍洞径(约20~30m),考虑到双洞开挖的应力重分布效应,取隧道断面范围宽×高=80m
6、×75m.有限元模型见图2,围岩纵向分层见图3,材料参数见表1.根据各典型断面地质资料,断面390和断面480隧道分别处于Ⅲ级和Ⅴ级围岩中.材料参数根据地质勘察报告并结合规范取值,围岩根据现行铁路隧道规范分级.2.2基本工况为突出问题的本质,重点考察先施工隧道的结构内力受后施工隧道开挖影响的演变过程,按“先施工上洞,后施工下洞”(工况1)和“先施工下洞,后开挖上洞”(工况2)2种工况进行数值模拟.2.3单元类型、边界条件和屈服准则围岩和衬砌结构用空间实体单元模拟.边界条件均采用位移边界条件,上边界取至地面,为自由面,两侧面、底面及两端面均受法向约束.数值
7、模拟计算采用弹塑性模型,Drucker-Prager屈服准则,分析采用大型通用有限元程序ANSYS.3结果分析10限于篇幅,仅给出工况1先施工隧道内力受后施工隧道开挖影响的变化过程,而对工况2只列出其最大值和最大变化值.因主要依赖典型断面进行分析,因此选取CK2+390和CK2+480断面.3.1环向内力的变化过程10隧道环向内力主要包括环向弯矩Mz和环向轴力N.Mz为每延米宽隧道衬砌截面绕z轴的弯矩,以内侧受拉为正,外侧受压为负.轴力以受拉为正,受压为负.表2为开挖全过程中环向内力的变化,图4和图5分别为在工况1的情况下隧道两断面上洞衬砌的环向弯矩.图4和图5中
8、,括号内的
