張英杰

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

地鐵群洞隧道結(jié)構(gòu)的安全性探微

張英杰

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，為了充分利用資源，人們把不斷增加的注意力投入到了地下工程中。無論是能源工程仍是交通建造，都涉及到地下工程的運(yùn)用。因而，研討地下工程運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性，確保地下工程在施工和運(yùn)營(yíng)期的安全就變得尤為重要。這篇文章以某地鐵隧道為例，以大型通用軟件ANSYS進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算為研討手法，側(cè)重研討群洞地道結(jié)構(gòu)在周邊土體影響下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生的位移、應(yīng)力及應(yīng)變解，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行剖析。

地鐵；群洞隧道；結(jié)構(gòu)；安全性

一、結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算原理

這篇文章模型運(yùn)用solid45單元進(jìn)行計(jì)算，已知點(diǎn)的彎矩和軸力不能直接輸出，參閱《地鐵力學(xué)數(shù)值辦法》一書中介紹的管理，選擇已知點(diǎn)，輸出已知點(diǎn)的為首﹑第二主應(yīng)力，對(duì)該點(diǎn)的彎矩跟軸力進(jìn)行計(jì)算。在襯砌各單元各個(gè)高斯點(diǎn)的應(yīng)力分量已知的情況下，對(duì)于等厚度襯砌，可以按照下述辦法計(jì)算襯砌經(jīng)過兩個(gè)對(duì)應(yīng)高斯點(diǎn)的截面上的法向應(yīng)力。設(shè)已知兩個(gè)高斯點(diǎn)及其坐標(biāo)：G2(x2, y2)，G1(x1, y1)，則經(jīng)過這兩個(gè)高斯點(diǎn)的襯砌截面與豎直面之間的夾角α為：

各個(gè)高斯點(diǎn)的法向應(yīng)力σn在所論截面上可按下式計(jì)算

式中，σx，σy，τxy為所論高斯點(diǎn)的應(yīng)力重量；θ為所論截面的外法線與σx之間的夾角，以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，?-a。

按(2)式算出設(shè)這兩個(gè)高斯點(diǎn)上的法向應(yīng)力，且分別為σn1和σn2，則由圖1可知，截面的外邊緣法向應(yīng)力可按式(3)計(jì)算(假定法向應(yīng)力按線性分布)。

式中，高斯點(diǎn)的坐標(biāo)為ξ，當(dāng)采用2×2階高斯積分時(shí)，ξ=0.57735。

圖1 應(yīng)力外插

截面邊際應(yīng)力值既已定出σ1，σ2，則作用在所論截面上的彎矩M和軸力N可按式(4)計(jì)算。

式中，b，d為所論截面的寬度和厚度。在計(jì)算安全性過程中，這篇文章參考了《鐵路地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，對(duì)全部群洞結(jié)構(gòu)的可疑點(diǎn)的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，混凝土和砌體矩形截面基地及偏疼受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按照式(5)計(jì)算。

從抗裂要求出發(fā)，受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度混凝土矩形截面偏心，應(yīng)按式(6)計(jì)算。

式(5)及式(6)中，Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度。

R1為混凝土的抗拉極限強(qiáng)度；α為軸向力的偏心影響系數(shù)；N為軸力；b為矩形截面的寬度；h為截面的厚度；φ為構(gòu)件的縱向曲折系數(shù)；K為安全系數(shù)。

依據(jù)公式(5)及公式(6)，在可疑點(diǎn)所受的軸力及彎矩已知的情況下，反向求出該點(diǎn)安全系數(shù)的最小值。

二、工程概況及相關(guān)參數(shù)

某地鐵主要走行于紅石路下方，在YDK23+680(ZDK23+688.611)處設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道，本處區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)上下設(shè)置，較小的凈距，聯(lián)絡(luò)通道選用豎井的構(gòu)造和橫通道型式，區(qū)間隧道圍巖為中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，圍巖呈塊狀砌體構(gòu)造，巖體較無缺。水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)略，為基巖裂隙水，大氣降水補(bǔ)給。基坑單位涌水量5.8L/min·10m，地道單調(diào)或濕潤(rùn)，圍巖級(jí)別Ⅳ級(jí)，成洞條件較好。

本處聯(lián)絡(luò)通道與正線隧道及聯(lián)銜接斷面﹑連絡(luò)通道﹑豎井在有限的范圍內(nèi)共存，可能會(huì)發(fā)生群洞效應(yīng)，因而，本處建立三維模型，采用地層模式，將一切隧道結(jié)構(gòu)一起思考。計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化思考地上超載，經(jīng)過計(jì)算斷定以下內(nèi)容：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，找出襯砌結(jié)構(gòu)里的不利區(qū)域及最不利方位點(diǎn)；檢算不利區(qū)域內(nèi)的二次襯砌結(jié)構(gòu)安全。

三、數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本次計(jì)算選用solid45，mesh200單元進(jìn)行計(jì)算。

本次核算的群洞構(gòu)造位于模型的中心部分，在只考慮機(jī)構(gòu)自重跟周邊土體壓力的狀況下，計(jì)算構(gòu)造承受的應(yīng)力及應(yīng)變等狀況。核算參數(shù)的設(shè)置：土體的密度為2590kg/m3，彈性模量為29.5×109Pa；彈性模量為2.392×106Pa，泊松比0.35；混凝土的密度為2600kg/m3，泊松比0.20.

經(jīng)過軟件模仿，我們得到，群洞隧道所受的最大應(yīng)力發(fā)生在橫通道與兩個(gè)水平地道交匯面上，主要分布在橫通道的拱腰方位，所受壓應(yīng)力約為9.34MPa，襯砌結(jié)構(gòu)選用C30混凝土，極限抗壓強(qiáng)度為22.5MPa，強(qiáng)度條件滿足要求，結(jié)構(gòu)不存在因混凝土強(qiáng)度不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或破壞；群洞地道最大的應(yīng)變發(fā)生方位與最大應(yīng)力方位一樣，最大應(yīng)變值為2.59×10-4m；結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在上側(cè)涵洞及豎井的拱頂方位，發(fā)生的位移最大值為0.01173m。

應(yīng)力云圖中襯砌結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)的應(yīng)力較大處，即結(jié)構(gòu)相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，選擇8個(gè)點(diǎn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)各點(diǎn)的第一﹑第二主應(yīng)力求得該點(diǎn)所受的彎矩﹑軸力，以及驗(yàn)證的各點(diǎn)的安全系數(shù)成果。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)構(gòu)的不利區(qū)域發(fā)生在聯(lián)絡(luò)通道的拱肩方位及豎井結(jié)構(gòu)的直角處，應(yīng)力最大方位，即結(jié)構(gòu)的最不利方位發(fā)生在橫通道與隧道交匯面上；在不利方位區(qū)域選擇結(jié)點(diǎn)，計(jì)算所選擇結(jié)點(diǎn)的彎矩﹑軸力，再對(duì)所選擇點(diǎn)進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算。依據(jù)計(jì)算結(jié)果得知，選擇的各結(jié)點(diǎn)安全系數(shù)都比較高；結(jié)果表明群洞結(jié)構(gòu)在周邊圍巖效果下，全部群洞隧道結(jié)構(gòu)的安全性滿足要求，可為類似工程供給參考。

[1] TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010：69-71.

[2]閆宇蕾.大型地下洞室群施工方案優(yōu)化及圍巖穩(wěn)定性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010(16)：32-34.