深圳地铁有限元分析计算书

深圳地铁一期工程

益田—香密湖区间段盾构隧道联络通道开挖施工有限元分析

计算书

上海市隧道工程轨道交通设计研究院

2001年5月28日

一总说明

应驻地经理要求，对深圳地铁一期工程益田—香密湖区间段盾构隧道联络通道开挖施工进行有限元模拟计算，计算所用资料依据《深圳地铁一期工程详勘益田—香密湖工程地质勘察报告》和施工图。采用二维有限元施工模拟分析程序。

二结构尺寸

根据施工图，地面标高+6.20m，隧道中心线标高-10.66m，埋深16.86m。隧道直径为3000mm, 衬砌外径3000mm, 内径2700mm, 砼管片厚度300mm，钢板衬砌厚度30 mm，结构尺寸如图1所

图2 计算区域及有限元网格

边界条件为：底部边界为水平向约束，左右两侧为垂直方向约束，顶部为自由边界。计算隧道开挖引起的应力和位移变化情况。

三土层地质状况

计算区域涉及土层Q4ml， Q4al，Q4el，r53等，从上至下依次为：

(1)素填土(Q4ml)：0—11m, 计算中取4m.

(2)粘土(Q4al)：局部出露，0—3m，计算中取1m。

(3)粉质粘土(Q4al)：局部出露，0—2.7m，计算中取1m。

(4)砾砂、中砂(Q4al)：局部出露，0—6m，计算中取2m。

(5)砾质粘土(Q4el)：稳定，5—24.6m，计算中取16m。

(6)风化花岗岩(r53)：稳定，出露厚度大于4.4m。

四土层和材料力学参数

根据地质勘察报告并作适当调整，得到各土层力学参数如表1：

表1 土性参数

结构材料性质取值如表2：

表2 结构力学性质

五施工过程的模拟

考虑三种施工阶段(工况)：

(1)盾构推过后，内部衬砌安装完成，还没有拆除通道处钢板,尚未支撑；

(2)内部衬砌安装完成，拆除通道处钢板，并设置支撑；

(3)通道施工完成，并拆除支撑后的永久工况。

六计算结果

(一) 工况一：盾构推过后，内部衬砌安装完成，还没有拆除通道处钢板,尚未支撑

图3 位移

(D xmax=-1.205mm, D zmax=-7.488mm)

图4 主应力σ1(单位：kPa)

图5 主应力σ2(单位：kPa)

图6 最大剪应力τmax(单位：kPa)

图7 衬砌弯矩和剪力(单位：kN.m和kN)

图8 衬砌轴力(单位：kN)

(二) 工况二：在开洞处拆除钢板并设置支撑后：

图9 位移(D xmax=3.724mm, D zmax=9.684mm)

图10 主应力σ1(单位：kPa)

图11 主应力σ2(单位：kPa)

图12 最大剪应力τmax(单位：kPa)

图13 衬砌弯矩和剪力(单位：kN.m 和kN)

图14 衬砌轴力和支撑轴力(单位：kN)

(三) 工况三：通道施工完成，并拆除支撑后

图15 位移(D xmax=1.813mm, D zmax=9.677mm)

图16 主应力σ1(单位：kPa)

图17 主应力σ2(单位：kPa)

图18 最大剪应力τmax(单位：kPa)

图19 衬砌弯矩和剪力(单位：kN.m和kN)

图20 衬砌轴力(单位：kN)

七结果分析

从以上各施工阶段的模拟计算可知，土体位移在工况二，即拆除钢板后为最大，且主要表现为垂直方向的变形，由于支撑及时，位移并不很大，最大值为D xmax=3.724mm，Dzmax=9.684mm，土体应力和结构内力的最大值也出现在工况二，由于支撑的作用阻止了土体和结构的变形，故在隧道周边形成应力集中(见图10-12)。因为变形以垂直方向为主，水平方向的支撑不起作用，计算中采用施工方传真回来的支撑方案，但计算结果表明，衬砌的弯矩偏大，无法配筋，所以，在原方案基础上另设两根垂直方向的支撑( 如图14所示)，共有5根钢支撑，最大支撑轴力为37.242吨。最大弯矩为16.8吨.m,最大轴力76.64吨。

工况三，联络通道施工完成后，由于通道内永久支撑的存在，隧道内临时支撑已不起作用，所以在拆除后并未引起大的变形，相反，由于土体的开挖卸荷，隧道周边的位移和应力均的不同程度的回复。此时最大位移为D xmax=1.813mm,D zmax=9.677mm，最大弯矩为16.5吨.m,最大轴力76.68吨。