隧道 结构计算分析

一、计算原则和依据
1、采用ANSYS有限元通用程序（注：该程序是目前唯一通过
ISO9001国际认证的有限元计算分析程序）对竹篱晒网隧道进行结构受力及变形分析。

2、采用地层-结构模型对暗挖隧道的受力和变形进行分析。

3、分析对象为纵向宽1m的隧道结构和地层。

4、依据《竹篱晒网隧道施工图设计文件》、《公路路隧道设计规范》等建立计算模型。

二、计算内容
对竹篱晒网隧道的计算，分别取洞口段、洞身段中V、IV、III级围岩进行计算，取断面计算如下：
1、出洞段KY2+760（V级围岩，采用双侧壁法施工）；
2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）；
3、洞身段KY2+500（III级围岩，采用台阶法施工）。

三、结构计算模型、荷载
1、计算模型
采用隧道与地层共同作用的地层-结构模式，模拟分析施工过程地层和结构的受力及变形特点。

计算模型所取范围是：水平方向取隧道两侧3倍洞跨，而竖直方向，仰拱以下地层，以洞跨的3倍为限，即从
仰拱至地层下3倍洞跨深度范围，隧道拱顶以上地层：V级围岩1
级围岩根据计算高度取值。

计算中地层及初期支护III取至地面，IV、材料的弹塑性实体单元模拟，而DP（初衬喷砼及钢架除外）采用了、二次衬砌采用弹性梁模拟，为使点和点之间位移初衬（钢架喷砼）初衬和二衬之间用只传递轴初衬和地层之间用约束方程联系、协调，向压力的链杆连接。

）来死”（ALIVE生”（KILL）、“ANSYS程序中，采用单元的“时，受力体系模拟衬砌和临时支撑的施作和拆除过程，当单元“死”，而后被激单元的应力、应变不计（即内力为0）不受其影响，“死”的单元只对以后的单元不计以前自身应变，也就是说，“活”“活”应力发生变化时产生作用。

2、计算荷载毛洞”模拟开挖过程中，先计算初始应力，每开挖一步形成“时，释放一部分初始应力，施作支护时释放余下的初始应力。

采用莫尔—库仑屈服准则对结构的开挖过程进行有限元计算中，）模型计算结构非线形（DP
弹塑性分析。

也即采用Drucker-Prager 的变形特性。

其等效应力为：??????T?????SMS3??m2??1????????T式中；11??2
?????????00S1?11?0zymxm3??so2sin6c c；????????y??ni3s3sin33??
—材料的内聚力，MPa；—材料的内摩擦角。

?c屈服准则为：
2
??????T????0?3M?S?FS???ym2??计算时将地层以岩性和11??2
地质特点划分为几个不同的类别，各层计算时围岩的物理力学指标依据施工图中《地质详勘报告》加以选取。

具体如表1所示。

有限元计算围岩物理力学参数
表1
围岩密度ρ弹性抗力系数弹性模量泊松比内摩擦粘聚力
C（MPaμ）级别) (g/cm角φK(MPa/m) （静态）E（Mpa）30.03 120 Ⅴ12 0.40 1.85 22 0.15 350 Ⅳ600 0.30 37 2.10
0.5
12000
700
Ⅲ 2.50
45
0.25
五、内力计算及分析
采用ANSYS有限元通用程序对竹篱晒网隧道结构的计算分析，取得有代表性的结果如下：
1、出洞段KY2+760（V级围岩，采用双侧壁法施工）
1）施工开挖过程中，隧道初衬的最大弯矩为97KN.m，对应轴力650 KN，初支满足承载要求。

2）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩、轴力如下表2：隧道内力(标准值)及配筋表表2
部位配筋率裂缝宽ω剪力弯矩轴力(mm)ρ(%)(KN/m) (KN.m/m) (KN/m)
/ 0 0.32 二衬拱顶 -1158 234
/
二衬侧墙-1133
-115
0.32
-156
3
设计图中二衬配筋满足强度和裂经检算，二衬满足承载要求， )。

缝要求(本结构不受裂缝控制对应地面沉降为31mm, 3)施工开挖过程拱顶的最大沉降为。

从沉降图中可以看出，地表的最大沉降为拆除其余临时支27mm
拆除支撑为控制地
, 撑、施做二衬时，比拆除支撑前变化较大,因此满足,8m 拆除一道临时支撑时,表沉降的关键,经初步检算纵向间距 沉降要求。

，地米））从沉降图中看出，由于两隧道相距较近（最小有154级围岩中，两V 层较差，两隧道施工时产生一定的相互影响，故在侧隧道施工时应该错开一定距离，同时应该加强监测，及时调整施 工工序。

211KPa,887KPa,洞周最大应力为4)施工开挖过程中最大应力为 满足地层承载要求。

IV 级围岩，采用环形台阶法施工）、洞身段KY2+480（2，对应轴50KN.m1）施工开挖过程中，隧道初衬的最大弯矩为 ，初支满足承载要求。

力445 KN ）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩、轴力如下表2 ：2及配筋表标准值)(隧道内力2
表
4
经检算，二衬满足承载要求，设计图中二衬配筋满足强度和裂)。

缝要求(本结构不受裂缝控制，仰拱跨中不配筋对应地面沉降为10mm, 3)施工开挖过程中拱顶的最大沉降为两隧道施工相互影响很同时从
沉降图中看出，9mm ,满足沉降要求。

小，可不考虑。

满足地层承载要求施工开挖过程中洞周最大应力为221KPa,4) 级围岩，采用台阶法施工）。

、洞身段KY2+500（III3、对48KN.m1）施工开挖过程和终态中，隧道二衬的最大弯矩为二衬可不需要配筋。

应轴力215 KN,，沉降2)施工开挖过程中地面的最大沉降很小（在图中不显示）满足规范要求。

同时两隧道施工的相互影响很小。

5
六、计算结果附图（施工开挖详见相关图纸）
出洞段KY1+100（V级围岩，采用双侧壁法施工）、1模型图
6
开挖步骤及结构模型图
m）开挖第一步时地面沉降图（
7
开挖第二步时地面沉降图（m）
m）开挖第三步时地面沉降图（
8
开挖第四步时地面沉降图（m）
m）开挖第五步时地面沉降图（
9
施作左侧隧道二衬，隧道变形开挖第六步时地面沉降图（m）
KN.m/m）开挖第六步时初支弯矩图（
10
拆除左洞临时支撑，施做二衬时地面沉降图（m）
m）开挖第七步时地面沉降图（
11
开挖第八步时地面沉降图（m）
m）开挖第九步时地面沉降图（
12
开挖第十步时地面沉降图（m）
m）开挖第十一步时地面沉降图（
13
开挖第十二步时地面沉降图（m）
KN.m/m）开挖第十二步时初支弯矩图（
14
拆除右洞临时支撑，施做二衬时地面沉降图（m）
KN.m/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时初支弯矩图（
15
拆除右洞临时支撑，施做二衬时初支轴力图（KN/m）
KN.m/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬弯矩图（
16
拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬轴力图（KN/m）
KN/m）拆除右洞临时支撑，施做二衬时二衬剪力图（
17
应力图（KPa）
2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）；
模型图
开挖步骤及结构模型图18
m）地面沉降图（
19
二衬弯矩图（KN.m/m）
KN/m）二衬轴力图（
20
应力图（KPa）
3、洞身段KY1+500（III级围岩，采用台阶法施工）；
模型图
开挖步骤及结构模型图21
KN.m/m）二衬弯矩图（
22
二衬轴力图（KN/m）23。