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《重叠隧道结构内力演变的三维弹塑性数值模拟论文》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、重叠隧道结构内力演变的三维弹塑性数值模拟论文.freel单洞双层段.截止断面宜取至两洞净距大于1倍洞径(约6m,即地铁常规区段的净距)处,而在CK2+530处两洞净距为6.1m,同样考虑端面效应,计算范围再增加30m.因此,整个模型的计算范围从CK2+360至CK2+560,共200m6.隧道断面围岩范围一般取3~5倍洞径(约20~30m),考虑到双洞开挖的应力重分布效应,取隧道断面范围宽×高=80m×75m.有限元模型见图2,围岩纵向分层见图3,材料参数见表1.根据各典型断面地质资料,断面390和断面4
2、80隧道分别处于Ⅲ级和Ⅴ级围岩中.材料参数根据地质勘察报告并结合规范取值,围岩根据现行铁路隧道规范分级.2.2基本工况为突出问题的本质,重点考察先施工隧道的结构内力受后施工隧道开挖影响的演变过程,按“先施工上洞,后施工下洞”(工况1)和“先施工下洞,后开挖上洞”(工况2)2种工况进行数值模拟.2.3单元类型、边界条件和屈服准则围岩和衬砌结构用空间实体单元模拟.边界条件均采用位移边界条件,上边界取至地面,为自由面,两侧面、底面及两端面均受法向约束.数值模拟计算采用弹塑性模型,Drucker-Prager屈服
3、准则,分析采用大型通用有限元程序ANSYS.3结果分析限于篇幅,仅给出工况1先施工隧道内力受后施工隧道开挖影响的变化过程,而对工况2只列出其最大值和最大变化值.因主要依赖典型断面进行分析,因此选取CK2+390和CK2+480断面.3.1环向内力的变化过程隧道环向内力主要包括环向弯矩Mz和环向轴力N.Mz为每延米宽隧道衬砌截面绕z轴的弯矩,以内侧受拉为正,外侧受压为负.轴力以受拉为正,受压为负.表2为开挖全过程中环向内力的变化,图4和图5分别为在工况1的情况下隧道两断面上洞衬砌的环向弯矩.图4和图5中,括
4、号内的数字为后施工隧道工作面相对于考察断面的位置(以隧道开挖方向为正方向,工作面位于考察断面前为正,反之为负).从图4可见,随下洞的开挖,断面390上洞衬砌(先施工隧道)各截面弯矩明显减小,尤其是拱顶和仰拱底处,减幅达60%左右.此外,由于断面390及其相邻区段两洞基本重叠,因此其内力图并无明显的不对称.从图5可见,断面480上洞衬砌的弯矩图在未受下洞开挖影响前基本对称,随下洞的开挖,弯矩图明显偏转,拱顶与仰拱底处负弯矩均减小,而左拱脚与右拱腰处正弯矩明显增大,尤以左墙脚和仰拱底为甚,变化幅度均高达50k
5、N·m.在基本重叠段,下洞开挖使上洞结构的竖向压力因向两侧围岩转移而减小,从而使上洞衬砌弯矩减小;在两洞交错段,虽然最大弯矩值并不增大,但弯矩图出现明显偏转,靠下洞左墙脚处显著增大,相应地仰拱底处明显减小.此外,随两洞水平间距的增大,内力的非对称性十分明显,最大变化值一般发生在两洞中心的连线或与之垂直方向.从表2还可见,就最大内力变化值而言,工况1大于工况2,即单纯从内力的影响程度来看,工况1相对不利.环向弯矩的最大变化值,Ⅲ级围岩中的工况1比工况2约增大48%,Ⅴ级围岩中约增大59%.隧道结构横断面应根
6、据环向弯矩包络图进行设计,工况1先施工隧道的环向弯矩包络图见图6.3.2纵向弯矩的变化所谓纵向弯矩,此处是指将隧道结构在纵向看成置于围岩中的箱梁结构而得到的梁截面弯矩,它有2个分量———Mx和My.由于衬砌结构均用实体单元模拟,因此需要根据程序输出的节点力进行换算:式中:Mx,My分别为衬砌断面绕x轴和y轴的弯矩,正负号依据右手法则;i为衬砌断面的单元编号;j为相应单元的节点顺序编号;Fz,ij为i单元j节点的节点力;xij,yij分别为i单元j节点距衬砌横断面形心x和y方向的距离.工况1断面390和断面
7、480纵向弯矩与下洞工作面的位置关系如图7.从图7可见,在断面390处,上洞结构纵向弯矩开始时(-30m处)为0,随下洞的开挖,工作面在-20m处时,Mx出现负值(上侧受拉),在5m处时出现正值;My图在施工全过程中为负值,在工作面邻近考察断面10m左右时剧烈变化,与考察断面基本重合时达到最大,但其值较小.可见,纵向弯矩最大值一般出现在工作面前后15m内.在断面480处,当工作面在-30m处时,上洞纵向弯矩Mx开始出现负值(上侧受拉),在-5m处达到最大值;正弯矩(下侧受拉)一般在工作面位于-3m处时开始
8、出现,在5m处达到最大值;当工作面过25m位置后,Mx基本趋于稳定.与断面390相比,虽然断面480两隧道净距变大,但纵向弯矩最大值比断面390大,说明围岩条件的影响更大.此外,My对合成弯矩的贡献更大,与空间位置的变化吻合.从图7中还可以看到,Mx和My均具有波动性和受近接施工影响的局域性、临时性.纵向影响范围,在Ⅲ级围岩中约为3倍(后施工)隧道洞径,在Ⅴ级围岩中约为5倍隧道洞径,其发生、发展和消失与开挖引起的荷载释放规律一
