midas GTS NX 地铁隧道专题PPT课件
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2015
• midas GTS NX
• 岩土和隧道有限元分析软件 V200
地铁、隧道专题
NO.1 芬兰-赫尔辛基地铁
地铁工程
工程说明： 工程包括14km隧道, 7 个车站和大 约300万m3岩料（挖掘），隧道和 车站通过挖掘和爆破形式实现，支 护形式采用喷锚结构，赫尔辛基地 铁站和区间线部分位于海平面以下， 地铁线多段位于市区（建有高层建 筑及重要结构物）下方。
边界条件注意事项
在节点的六个自由度方向（三个轴向的位移和三个转角位移方 向）上都可以输入弹性支承单元。其中，平移刚度为发生单位 位移时所施加的力的大小，转角刚度是发生单位转角时所施加 的弯矩的大小。
点弹簧主要用于模拟模型边界上没有建模的那部分土体或结构 的影响。
在实际工程中，平移支承通常用来模拟结构下部桩(Pile)或
地基的刚度。地基弹簧系数可使用地基基床系数(Modulus of Subgrade Reaction)乘以相应节点的从属面积(Tributary Area)计算而得，应该注意地基只能抵抗压力的作用。
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
PBA工法（二衬顺作）边桩水平位移：最大值10mm
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
地铁工程
弯矩 305KNm
ห้องสมุดไป่ตู้
剪力 323KN PBA工法（二衬顺作）边桩内力
轴力 2792KN
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
计算模型
地铁工程
工程说明： 某地铁工程，考虑地震动对
车站的影响，需要进行动力计算。 场地地震等级为E2，重现年期 475年，对应概率水准为50年超 越概率10%的设计地震动参数。
地层结构法：
由于地层结构法相对荷载结构法，充分考虑了地下结构与周围 地层的相互作用。结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构 以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变 形更能符合工程实际。因此，在今后的研究和发展中地层结构 法将得到广泛应用和发展。
适用性强（各种地层、洞室，非线性，施工过程等）；缺点：本 构关系难以准确给出。输入参数不正确，则给出错误结果。
integratedsolutionforgeotechnicalandtunnelengineerings如下图所示在边长度为5m的两个正方形单元边界上建立面弹簧当输入100tonfm3的地基反力系数时第一个节点和最后一个节点的有效面积为25m2中间节点的有效面积是5m2弹簧刚度为地基反力系数乘以有效面积自动计算的两端节点和中间的弹簧刚度分别为250tonfm500tonfm
边界条件
模型>边界>支承
土分析时的边界约束条件: 一般岩土分析的地基约束如下图所
示，在左右两侧约束X方向的平动自由度在底部约束X、Z两个 方向的平动自由度。用户手动定义岩土的约束条件较为繁琐， 因此建议使用“考虑所有单元网格组”选项，由程序自动搜索 边界生成合适的边界条件。
THANK U
北京迈达斯技术有限公司
施工工况： 1）拆除该段的临时柱或临时竖向支撑； 2）施工该段的仰拱； 3）拆除该段的水平支撑； 4）施工边墙和顶板。
NO.2 某车站临时结构拆除过程影响
拆除竖撑竖向位移：8.12mm 拆除横撑竖向位移：9.73mm
施作仰拱竖向位移：9.91mm 施作边墙竖向位移：12.44mm
NO.2 某车站临时结构拆除过程影响
地铁工程
桩的侧向位移
边桩和支撑轴力
边桩和支撑弯矩
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
50.87
48.47 48.17 47.37 46.57 46.27
42.57 41.27 44 00 .. 30 77 39.17 38.77 37.17
35.27
11
1
3
32 3
3 1 fx
4
61
zc 7 1
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
GTS 计算模型
二衬与管线位置 关系图
地铁工程
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
地铁工程
主洞二衬完成后的地表沉降 45.75mm
主洞二衬完成后的管线沉降（电力隧道 2.41mm）
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
地铁工程
主洞二衬完成后的支护结构沉降 主洞初支：74mm 边桩：11mm
中隔墙水平位移
NO.5 凤凰山隧道
地层损失法计算模型 第一主应力
隧道工程
地层竖向位移 第三主应力
NO.6 盾构数值模拟
隧道工程
工程说明： 某隧道（马德里30公里处）TBM-EPB技术应用。 主要目的是介绍一种基于有限元理论的3D数值计算方法，该方 法主要用来预测TBM掘进过程中的影响。
NO.6 盾构数值模拟
隧道工程
隧道、地铁结构设计方法及NX实现
地下建筑结构的设计计算方法一般分类
我国设计计算方法一般分以下4类：
工程类比法 （严格说并非计算方法） 荷载结构法：主动荷载、主动荷载+弹性抗力 地层结构法：共同承载，连续介质理论。 收敛限制法：属地层结构法，弹塑-粘性理论 数值法、解析法可用于上列后3种方法的任意一种 计算模型：平面模型、空间模型
NO.1 芬兰-赫尔辛基地铁
地铁工程
位移云图
车站-管线-荷载计算模型
NO.2 某车站临时结构拆除过程影响
左
右
线
线
中
中
线
线
轨面
钻孔桩?
断面图
临时结构计算 模型
地铁工程
工程说明： 为了确保直径线预埋段二次衬砌施工的安 全性，对预埋段的支撑拆除进行了施工力 学分析。计算的主要目的是分析支撑拆除 过程中边桩和未拆除的支撑（柱）的稳定 性，以确保施工过程中的安全。
如下图所示，在边长度为5m的两个正方形单元边界上建立面弹 簧，当输入100tonf/m3的地基反力系数时，第一个节点和最后 一个节点的有效面积为2.5m2，中间节点的有效面积是5m2， 弹簧刚度为地基反力系数乘以有效面积，自动计算的两端节点 和中间的弹簧刚度分别为250tonf/m、 500tonf/m 。
71
6 61
7
zc
7
7 1 zc
7
PBA工法结构断面及地层分布（单位：mm）
地铁工程
工程说明： 某地铁线区间为大跨段，采用PBA工法施工。大跨段
PBA工法结构断面如图2所示。区间结构埋深约7.6m， 开挖面净跨15.4m，高10.405m。两侧小导洞净跨 3.6m，小导洞内施作Φ1200@2000人工挖孔桩，拱顶 施作Φ159×10大管棚，分部开挖扣拱，下挖至底板后 由下而上顺作二衬。
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
• 曲面弹簧可以自动生成固定约束边界条件，而弹性连接 还要自己手动生成。
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
结束语
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
沿区间隧道走向，结构上部有多条管线，侧向有一小 型隧道。受影响较大的有Φ1000雨水管（距导洞拱顶径 向距离为7.8m）、Φ1400上水管（距主洞拱顶径向距 离为6.0m）、700×500电信（距主洞拱顶径向距离为 6.8m）、Φ800上水管（距导洞拱顶径向距离为9.7m）、 1800×2300电力隧道（距导洞拱顶径向距离为9.1m）， 还有一些直径较小的天然气管和上水管。区间隧道与管 线及小型隧道的位置关系如左图所示。
地铁工程
GTS 计算结果
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
地铁工程
说明：为进一步分析车站穿越不均匀地层时地震反应，分别对车站结构纵向及横各进行构件分析。此报告中，只选取横向结 构某一截面（典型断面1）计算结果。
典型断面
绝对位移（断面1）
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
地铁工程
说明：通过读取所选择断面的横向位移，将时程分析得到的结构相对变形（取结构底板处变形为0），采用荷载、位移-结构 模型，对各构件进行强度验算。
计算模型各土层所采用参数 参考相应勘察报告。计算采用三 维地层-结构动力相互作用模型， 计算模型的侧面人工边界距地下 结构的距离为64.35m，底面人 工边界宜取至结构底板以下15m， 上部边界取至地表。模型尺寸为： 250*150*45，模型边界为粘弹 性吸收边界，其计算模型及结果 如下。
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
地震工况有水弯矩
地震工况有水剪力
NO.5 凤凰山隧道
隧道工程
工程说明： 隧道全长175m，其中暗 洞段长143m，属短隧道。 隧道最大埋深23m，地 质条件为Ⅴ级围岩，最 大开挖跨度32.2m，属 软弱围岩大跨隧道。
NO.5 凤凰山隧道
荷载结构法计算模型 二衬水平变形
隧道工程
二衬弯矩
中隔墙竖向位移
Please Criticize And Guide The Shortcomings
• 仅压、仅拉弹簧不可以做施工阶段分析，而一般弹簧可 以做施工阶段分析。做施工阶段分析时可采用一般弹簧 代替仅压、仅拉弹簧：x向弹簧常量设为既定值，其余 弹簧常量设为0。
• 做结构荷载法分析时，用仅压、仅拉弹簧要注意结构是 不是非稳定情况。如图6所示要在合适的位置加一x向约 束。
与地层结构法的区别
荷载结构法的定义
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
荷载结构法认为：
地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结 构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗 力）
以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的 方法称为荷载——结构法，该方法有时又称为 结构力学法。
• midas GTS NX
• 岩土和隧道有限元分析软件 V200
地铁、隧道专题
NO.1 芬兰-赫尔辛基地铁
地铁工程
工程说明： 工程包括14km隧道, 7 个车站和大 约300万m3岩料（挖掘），隧道和 车站通过挖掘和爆破形式实现，支 护形式采用喷锚结构，赫尔辛基地 铁站和区间线部分位于海平面以下， 地铁线多段位于市区（建有高层建 筑及重要结构物）下方。
边界条件注意事项
在节点的六个自由度方向（三个轴向的位移和三个转角位移方 向）上都可以输入弹性支承单元。其中，平移刚度为发生单位 位移时所施加的力的大小，转角刚度是发生单位转角时所施加 的弯矩的大小。
点弹簧主要用于模拟模型边界上没有建模的那部分土体或结构 的影响。
在实际工程中，平移支承通常用来模拟结构下部桩(Pile)或
地基的刚度。地基弹簧系数可使用地基基床系数(Modulus of Subgrade Reaction)乘以相应节点的从属面积(Tributary Area)计算而得，应该注意地基只能抵抗压力的作用。
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
PBA工法（二衬顺作）边桩水平位移：最大值10mm
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
地铁工程
弯矩 305KNm
ห้องสมุดไป่ตู้
剪力 323KN PBA工法（二衬顺作）边桩内力
轴力 2792KN
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
计算模型
地铁工程
工程说明： 某地铁工程，考虑地震动对
车站的影响，需要进行动力计算。 场地地震等级为E2，重现年期 475年，对应概率水准为50年超 越概率10%的设计地震动参数。
地层结构法：
由于地层结构法相对荷载结构法，充分考虑了地下结构与周围 地层的相互作用。结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构 以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变 形更能符合工程实际。因此，在今后的研究和发展中地层结构 法将得到广泛应用和发展。
适用性强（各种地层、洞室，非线性，施工过程等）；缺点：本 构关系难以准确给出。输入参数不正确，则给出错误结果。
integratedsolutionforgeotechnicalandtunnelengineerings如下图所示在边长度为5m的两个正方形单元边界上建立面弹簧当输入100tonfm3的地基反力系数时第一个节点和最后一个节点的有效面积为25m2中间节点的有效面积是5m2弹簧刚度为地基反力系数乘以有效面积自动计算的两端节点和中间的弹簧刚度分别为250tonfm500tonfm
边界条件
模型>边界>支承
土分析时的边界约束条件: 一般岩土分析的地基约束如下图所
示，在左右两侧约束X方向的平动自由度在底部约束X、Z两个 方向的平动自由度。用户手动定义岩土的约束条件较为繁琐， 因此建议使用“考虑所有单元网格组”选项，由程序自动搜索 边界生成合适的边界条件。
THANK U
北京迈达斯技术有限公司
施工工况： 1）拆除该段的临时柱或临时竖向支撑； 2）施工该段的仰拱； 3）拆除该段的水平支撑； 4）施工边墙和顶板。
NO.2 某车站临时结构拆除过程影响
拆除竖撑竖向位移：8.12mm 拆除横撑竖向位移：9.73mm
施作仰拱竖向位移：9.91mm 施作边墙竖向位移：12.44mm
NO.2 某车站临时结构拆除过程影响
地铁工程
桩的侧向位移
边桩和支撑轴力
边桩和支撑弯矩
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
50.87
48.47 48.17 47.37 46.57 46.27
42.57 41.27 44 00 .. 30 77 39.17 38.77 37.17
35.27
11
1
3
32 3
3 1 fx
4
61
zc 7 1
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
GTS 计算模型
二衬与管线位置 关系图
地铁工程
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
地铁工程
主洞二衬完成后的地表沉降 45.75mm
主洞二衬完成后的管线沉降（电力隧道 2.41mm）
NO.3 某地铁车站PBA工法施工模拟
地铁工程
主洞二衬完成后的支护结构沉降 主洞初支：74mm 边桩：11mm
中隔墙水平位移
NO.5 凤凰山隧道
地层损失法计算模型 第一主应力
隧道工程
地层竖向位移 第三主应力
NO.6 盾构数值模拟
隧道工程
工程说明： 某隧道（马德里30公里处）TBM-EPB技术应用。 主要目的是介绍一种基于有限元理论的3D数值计算方法，该方 法主要用来预测TBM掘进过程中的影响。
NO.6 盾构数值模拟
隧道工程
隧道、地铁结构设计方法及NX实现
地下建筑结构的设计计算方法一般分类
我国设计计算方法一般分以下4类：
工程类比法 （严格说并非计算方法） 荷载结构法：主动荷载、主动荷载+弹性抗力 地层结构法：共同承载，连续介质理论。 收敛限制法：属地层结构法，弹塑-粘性理论 数值法、解析法可用于上列后3种方法的任意一种 计算模型：平面模型、空间模型
NO.1 芬兰-赫尔辛基地铁
地铁工程
位移云图
车站-管线-荷载计算模型
NO.2 某车站临时结构拆除过程影响
左
右
线
线
中
中
线
线
轨面
钻孔桩?
断面图
临时结构计算 模型
地铁工程
工程说明： 为了确保直径线预埋段二次衬砌施工的安 全性，对预埋段的支撑拆除进行了施工力 学分析。计算的主要目的是分析支撑拆除 过程中边桩和未拆除的支撑（柱）的稳定 性，以确保施工过程中的安全。
如下图所示，在边长度为5m的两个正方形单元边界上建立面弹 簧，当输入100tonf/m3的地基反力系数时，第一个节点和最后 一个节点的有效面积为2.5m2，中间节点的有效面积是5m2， 弹簧刚度为地基反力系数乘以有效面积，自动计算的两端节点 和中间的弹簧刚度分别为250tonf/m、 500tonf/m 。
71
6 61
7
zc
7
7 1 zc
7
PBA工法结构断面及地层分布（单位：mm）
地铁工程
工程说明： 某地铁线区间为大跨段，采用PBA工法施工。大跨段
PBA工法结构断面如图2所示。区间结构埋深约7.6m， 开挖面净跨15.4m，高10.405m。两侧小导洞净跨 3.6m，小导洞内施作Φ1200@2000人工挖孔桩，拱顶 施作Φ159×10大管棚，分部开挖扣拱，下挖至底板后 由下而上顺作二衬。
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
• 曲面弹簧可以自动生成固定约束边界条件，而弹性连接 还要自己手动生成。
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
结束语
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
沿区间隧道走向，结构上部有多条管线，侧向有一小 型隧道。受影响较大的有Φ1000雨水管（距导洞拱顶径 向距离为7.8m）、Φ1400上水管（距主洞拱顶径向距 离为6.0m）、700×500电信（距主洞拱顶径向距离为 6.8m）、Φ800上水管（距导洞拱顶径向距离为9.7m）、 1800×2300电力隧道（距导洞拱顶径向距离为9.1m）， 还有一些直径较小的天然气管和上水管。区间隧道与管 线及小型隧道的位置关系如左图所示。
地铁工程
GTS 计算结果
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
地铁工程
说明：为进一步分析车站穿越不均匀地层时地震反应，分别对车站结构纵向及横各进行构件分析。此报告中，只选取横向结 构某一截面（典型断面1）计算结果。
典型断面
绝对位移（断面1）
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
地铁工程
说明：通过读取所选择断面的横向位移，将时程分析得到的结构相对变形（取结构底板处变形为0），采用荷载、位移-结构 模型，对各构件进行强度验算。
计算模型各土层所采用参数 参考相应勘察报告。计算采用三 维地层-结构动力相互作用模型， 计算模型的侧面人工边界距地下 结构的距离为64.35m，底面人 工边界宜取至结构底板以下15m， 上部边界取至地表。模型尺寸为： 250*150*45，模型边界为粘弹 性吸收边界，其计算模型及结果 如下。
NO.4 某地铁车站地震动响应分析
地震工况有水弯矩
地震工况有水剪力
NO.5 凤凰山隧道
隧道工程
工程说明： 隧道全长175m，其中暗 洞段长143m，属短隧道。 隧道最大埋深23m，地 质条件为Ⅴ级围岩，最 大开挖跨度32.2m，属 软弱围岩大跨隧道。
NO.5 凤凰山隧道
荷载结构法计算模型 二衬水平变形
隧道工程
二衬弯矩
中隔墙竖向位移
Please Criticize And Guide The Shortcomings
• 仅压、仅拉弹簧不可以做施工阶段分析，而一般弹簧可 以做施工阶段分析。做施工阶段分析时可采用一般弹簧 代替仅压、仅拉弹簧：x向弹簧常量设为既定值，其余 弹簧常量设为0。
• 做结构荷载法分析时，用仅压、仅拉弹簧要注意结构是 不是非稳定情况。如图6所示要在合适的位置加一x向约 束。
与地层结构法的区别
荷载结构法的定义
Integrated Solution for Geotechnical and Tunnel Engineerings
荷载结构法认为：
地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结 构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗 力）
以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的 方法称为荷载——结构法，该方法有时又称为 结构力学法。