三台阶开挖 隧道平面静力分析与检算.docx

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1、1三台阶开挖法——隧道平面静力分析与检算通过有限元方法进行检算，对隧道衬砌的拱角、拱肩及拱腰部位进行检算，计算过程如下：采用ANSYS有限元方法分析隧道断面在静荷载(围岩荷载)作用下的受力特性，该隧道穿越地层为Ⅴ级围岩。1.1计算方法与有限元网格采用ANSYS有限元对其进行平面静力分析。该断面有限元网格如图1-1所示，横向尺寸如下：左、右边界距隧道开挖边界线均为36米，底边界距隧道仰拱底43米，顶面距拱顶43米，其边界条件如下：顶面为自由表面，两边为横向约束，底面为固定约束，分析中按平面应变问题考虑。图1-1断面有限元网格图1

2、-1为隧道断面有限元网格。该隧道衬砌横断面以及各截面的编号如图1-2所示。分析中所采用的材料特性参数列于表1-1中。图1-2隧道断面初衬单元划分图表1-1材料参数材料弹性模量（MPa）泊松比重度(kN/m3)凝聚力（kPa）内摩擦角(°)Ⅴ级围岩30000.4020.0200035加固区90000.320.0600040初衬200000.223.01.2分析结果采用ANSYS有限元计算计算各截面弯矩、轴力及安全系数，图1-3及图1-4示出了该隧道断面的弯矩、轴力分布情况，其数据结果见表1-2(表中数据弯矩以内侧受拉为正、轴力以

3、拉力为正)。图1-3隧道断面衬砌截面弯矩图（N·m）图1-4隧道断面衬砌截面轴力图（N）表1-2各计算截面的弯矩、轴力及安全系数单元编号衬砌位置弯矩（N·m）轴力(N)偏心距e0衬砌厚度d偏心状态偏心影响系数安全系数1066左拱脚-7882.2-6.10E+050.012930.3小偏心1.0012.79106748295-5.01E+050.096430.3大偏心0.422.771077右拱脚48295-6.14E+050.078620.3大偏心0.583.661076-32046-5.02E+050.063830.3大偏心

4、0.729.261095左拱肩4974-4.53E+050.010990.3小偏心1.0017.231081右拱脚-31303-4.57E+050.068460.3大偏心0.687.621093左拱腰2148.9-3.29E+050.006540.3小偏心1.0023.741088右拱腰2674.3-3.33E+050.008020.3小偏心1.0023.41本断面计算通过选断面的拱角、拱肩及拱腰部位来进行检算，初衬厚度为30cm,通过检算发现，安全系数最小值为3.37，位于拱脚部位，大于规范要求2.4，满足规范要求。2预留核

5、心土环形开挖法——隧道平面静力分析与检算计算方法、有限元网格、相关材料参数及对隧道检算部位均同上述三台阶开挖法一样。该隧道衬砌横断面以及各截面的编号如图2-1所示。图2-1隧道断面初衬单元划分图2.1分析结果采用ANSYS有限元计算计算各截面弯矩、轴力及安全系数，图1-3及图1-4示出了该隧道断面的弯矩、轴力分布情况，其数据结果见表1-2(表中数据弯矩以内侧受拉为正、轴力以拉力为正)。图2-2隧道断面衬砌截面弯矩图（N·m）图2-3隧道断面衬砌截面轴力图（N）表1-2各计算截面的弯矩、轴力及安全系数单元编号衬砌位置弯矩（N·m

6、）轴力(N)偏心距e0衬砌厚度d偏心状态偏心影响系数安全系数1242左拱脚-13240-9.39E+050.014100.3小偏心1.008.31122380725-5.95E+050.135690.3大偏心0.151.261253右拱脚73481-9.42E+050.077980.3大偏心0.592.441238-31750-6.35E+050.049980.3小偏心0.8310.201251左拱肩-3194.8-7.36E+050.004340.3小偏心1.0010.591248左拱腰2302-1.09E+060.0021

7、10.3小偏心1.007.161217右拱肩-3194.5-3.98E+050.008040.3小偏心1.0019.621220右供腰2326.2-1.07E+060.002170.3小偏心1.007.26本断面计算通过选断面的拱角、拱肩及拱腰部位来进行检算，初衬厚度为30cm,通过检算发现，除左拱脚处安全系数较小外，其余部位安全系数均大于规范要求2.4。3三台阶开挖法与预留核心土环形开挖法的安全性比较表3-1两种开挖方法的安全系数比较衬砌部位三台阶开挖法预留核心土环形开挖安全系数左拱脚12.798.312.771.26右拱脚

8、3.662.449.2610.20左拱肩17.2310.59右拱肩7.627.16左墙腰23.7419.62右墙腰23.417.26从表3-1可以看出，在围岩、加固区及初衬相同的情况下，采用三台阶法比预留核心土环形开挖方法开挖Ⅴ级围岩，衬砌的安全系数更高。表3-2两种开挖方法