城市地铁隧道区间模型计算分析

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1、城市地铁隧道区间模型计算分析蒋礼平中铁隧道勘测设计院有限公司广丙，南宁530028摘要：木文结合实例通过模型计算对区间段盾构管片结构进行了位移、内力计算，将得到的结论整理分析并总结了各类方法的适用条件，为地铁隧道设计者们提供依据。关键词：地铁工程；区间；三维；计算1.设计概况某地铁一号线区间地貌单元属黄土梁洼，即所谓的粘土地段，因此在选择计算模型时应选择水土合算模型。区间右线纵断面图如图1所示。通过对右线纵断面图的分析，选取截面最大埋深大约为19m,地下水位距地面的最小距离为4.80m。工程地质概

2、况见表1。2.计算模型概况2.1日木惯用法内力计算全段隧道均为浅埋隧道，侧向压力均为梯形分布，地基反力=竖向压力+πg，其中πg为衬砌全环自重(πdg)在.水平直轻(d)的平均压力，荷载分布图如图2所示。盾构隧道截面采用圆形管片结构，埋深自隧道起点(里程YDK21+536.25)起，埋深逐渐增大，至联络通道附近(YDK21+977.000)埋深逐渐减小，故断面应选取埋深最大处为最不利位置。衬砌厚度0.3m,混凝土等级C60。地基弹性反力系数为K=300MPa/m。以相关土力学公式

3、为基准的荷载计算结果为:垂直荷载为251.63kPa;三角形侧压为55.478kPa;衬砌自重为7.8kPa;底部反力为276.134kPa;弹性抗力146.24kPa。根据表2给出的公式带入excel中进行内力计算。2.2ANSYS—维模型内力计算木模型为一维模型，模型中仅有梁(beam)单元和弹簧(spring-damper)单元，地层应力的计算同日本惯用法，将其计算值作用在梁单元上，计算吋仅固定模型底弹簧单元节点位移.该模型与日本惯用法不冋的是，ANSYS—维模型用弹簧单元来代替管片与土体的

4、接触，并根据计算结果逐次删除受拉弹簧单元，直至剩余弹簧单元全部受压。而日本惯用法则是假设管片在顶端和底端特定角度范围内不受压(一般为顶端、底端分别距两边角度45°范围以内)。力学模型见图3。1.3ANSYS二维模型内力计算由于计算最不利荷载位置位于隧道直线地段，如图4所示。因此对最不利地段管片荷载的研究模型可以简化成无径向坡度倾角的隧道模型。此外模型中水平面取在最高水位处，距地面4.8m，土体分为两层:水上部分与水下部分，相应参数均为实际各土层加权平均结果，见表3。ANSYS二维模型如图4

5、所示。图中管片用梁(beam)单元模拟，浅色单元与深色单元分别表示自由水面以上土体部分和以下土体部分，用平面(plane)单元模拟。该模型与一维模型区别在于去掉了弹簧单元模拟管片与土体的接触，从而直接对地层进行计算.计算采用德鲁克一普拉格(D—P)准则对平面土体进行弹塑性计算，计算过程为先进行初始地应力计算，然后再开挖计算(此处应力一次性完全释放)。1.4ANSYS三维模型内力计算ANSYS三维计算模型即在二维模型的基础上沿Z轴对模型进行拉伸，使模型受力由双向受力状态变为三向受力状态。通过对此三维

6、模型进行数值分析，进而求解。三维模型如图5所示。图中圆柱面部分代表管片，用壳(shell)单元模拟，浅色单元与深色单元分别表示自由水面以上土体部分和以下土体部分，用实体(solid)单元模拟。计算采用德鲁克一普拉格(D—P)准则对三维模型进行弹塑性计算，计算过程为先进行初始地应力计算，然后再开挖计算(此处应力一次性完全释放)。1.结果分析通过分析上述数据将不同计算模型的结果总结成表4,并以ANSYS—维模型为基准对其余结果进行归一化分析.通过对四种模型方法的比较可以看出，除日本惯用法没有给出结构位

7、移和剪力结果外，其他三种方法得出的位移、力和弯矩的变化趋势都是相同的.因此这四种方法的计算结果均符合力学期望。通过数据整理可以得出以下结论:(1)ANSYS模型算出的结构位移均为管片顶部下沉，管片底部拱起，且拱起量大于下沉量。其中一维模型拱起量与下沉量之比为1.69,二维模型拱起量与下沉量之比为2.77,三维模型拱起量与下沉量之比为2.06。分析其原因如表5所示；从力学参数的角度看，日本惯用法与ANSYS—维模型在数值上计算结果大致相等，归一化比例0.846〜1.195。艽中日本惯用法弯矩略大于A

8、NSYS—维模型弯矩，轴力则相反。该结果表明两种计算模型的力学效应是可以等价的，即日本惯用法的弹性假定公式与ANSYS一维模型的弹簧单元对模型的受力影响基本一致；ANSYS二维模型与一•维模型相比较，该模型没冇任何假定，较好地反映了地层与管片之间的作用，对于求解土体的弹塑性受力状态较为适用.二维模型受力计算结果归一化比例为0.774〜3.126,除轴力作用结果大致相同外，弯矩约为2.5倍一维模型计算值，剪力约为1.8倍一维模型计算值。由此可见：①ANSYS二维模型计算结果较大、较为