地鐵群洞隧道結構的安全性探微

張英杰

遼寧省交通規劃設計院有限責任公司

地鐵群洞隧道結構的安全性探微

張英杰

遼寧省交通規劃設計院有限責任公司

目前，我國經濟發展快速，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用。因而，研討地下工程運營期的穩定性，確保地下工程在施工和運營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進行有限元數值模擬計算為研討手法，側重研討群洞地道結構在周邊土體影響下，結構內部發生的位移、應力及應變解，從而對結構的穩定性進行剖析。

地鐵；群洞隧道；結構；安全性

一、結構安全性計算原理

這篇文章模型運用solid45單元進行計算，已知點的彎矩和軸力不能直接輸出，參閱《地鐵力學數值辦法》一書中介紹的管理，選擇已知點，輸出已知點的為首﹑第二主應力，對該點的彎矩跟軸力進行計算。在襯砌各單元各個高斯點的應力分量已知的情況下，對于等厚度襯砌，可以按照下述辦法計算襯砌經過兩個對應高斯點的截面上的法向應力。設已知兩個高斯點及其坐標：G2(x2, y2)，G1(x1, y1)，則經過這兩個高斯點的襯砌截面與豎直面之間的夾角α為：

各個高斯點的法向應力σn在所論截面上可按下式計算

式中，σx，σy，τxy為所論高斯點的應力重量；θ為所論截面的外法線與σx之間的夾角，以逆時針方向為正，θ=-a。

按(2)式算出設這兩個高斯點上的法向應力，且分別為σn1和σn2，則由圖1可知，截面的外邊緣法向應力可按式(3)計算(假定法向應力按線性分布)。

式中，高斯點的坐標為ξ，當采用2×2階高斯積分時，ξ=0.57735。

圖1 應力外插

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

式中，b，d為所論截面的寬度和厚度。在計算安全性過程中，這篇文章參考了《鐵路地鐵設計標準》的要求，對全部群洞結構的可疑點的安全系數進行計算。標準要求，對襯砌結構計算過程中，混凝土和砌體矩形截面基地及偏疼受壓構件的抗壓強度應按照式(5)計算。

從抗裂要求出發，受壓構件的抗拉強度混凝土矩形截面偏心，應按式(6)計算。

式(5)及式(6)中，Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強度。

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

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

二、工程概況及相關參數

某地鐵主要走行于紅石路下方，在YDK23+680(ZDK23+688.611)處設一處聯絡通道，本處區間隧道結構上下設置，較小的凈距，聯絡通道選用豎井的構造和橫通道型式，區間隧道圍巖為中等風化砂質泥巖，圍巖呈塊狀砌體構造，巖體較無缺。水文地質條件簡略，為基巖裂隙水，大氣降水補給。基坑單位涌水量5.8L/min·10m，地道單調或濕潤，圍巖級別Ⅳ級，成洞條件較好。

本處聯絡通道與正線隧道及聯銜接斷面﹑連絡通道﹑豎井在有限的范圍內共存，可能會發生群洞效應，因而，本處建立三維模型，采用地層模式，將一切隧道結構一起思考。計算時簡化思考地上超載，經過計算斷定以下內容：根據計算結果，找出襯砌結構里的不利區域及最不利方位點；檢算不利區域內的二次襯砌結構安全。

三、數值計算結果分析

本次計算選用solid45，mesh200單元進行計算。

本次核算的群洞構造位于模型的中心部分，在只考慮機構自重跟周邊土體壓力的狀況下，計算構造承受的應力及應變等狀況。核算參數的設置：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.

經過軟件模仿，我們得到，群洞隧道所受的最大應力發生在橫通道與兩個水平地道交匯面上，主要分布在橫通道的拱腰方位，所受壓應力約為9.34MPa，襯砌結構選用C30混凝土，極限抗壓強度為22.5MPa，強度條件滿足要求，結構不存在因混凝土強度不足導致的結構失穩或破壞；群洞地道最大的應變發生方位與最大應力方位一樣，最大應變值為2.59×10-4m；結構的最大位移發生在上側涵洞及豎井的拱頂方位，發生的位移最大值為0.01173m。

應力云圖中襯砌結構顯現的應力較大處，即結構相對風險區域，選擇8個點，驗證結構的安全性，對襯砌結構安全系數進行計算。根據各點的第一﹑第二主應力求得該點所受的彎矩﹑軸力，以及驗證的各點的安全系數成果。

結語

綜上所述，結構的不利區域發生在聯絡通道的拱肩方位及豎井結構的直角處，應力最大方位，即結構的最不利方位發生在橫通道與隧道交匯面上；在不利方位區域選擇結點，計算所選擇結點的彎矩﹑軸力，再對所選擇點進行安全系數的計算。依據計算結果得知，選擇的各結點安全系數都比較高；結果表明群洞結構在周邊圍巖效果下，全部群洞隧道結構的安全性滿足要求，可為類似工程供給參考。

[1] TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2010：69-71.

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