基于ANSYS的引水隧洞施工盾构结构检算及优化应用研究

周 山 符 强 黄雪飞

（中国葛洲坝集团 第五工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

盾构法隧道施工是一种先进的隧道施工方法［1］，它具有施工速度快、对周边环境影响小、能适应复杂地层、工程质量高等优点，越来越受到国内工程界的欢迎.盾构结构设计的好坏直接关系到隧道开挖和砼浇注过程的安全及浇注成型后的隧道能否符合设计要求［2］.因此，盾构本身设计计算对隧道施工而言极为重要.目前盾构结构设计计算大多简化成一个平面问题来计算，简化后会出现几个问题［3］：①不能考虑纵向结构之间的相互影响；②盾构自身的受力支架结构的内部各个杆件的受力情况不明确，需要额外的计算分析；③平面计算适用于简单的、力传递明确的结构.当遇到复杂的、力传递情况不明确的结构时，由于上部荷载的分配及受力支架结构之间的相互影响，平面计算结果就不足以真实地反映外护壳、受力支架的受力工况，无法保证施工的安全.鉴于此，本文结合莲花水库引水隧洞工程专项方案，设计出满足强风化花岗岩施工地质条件的盾构法施工的盾构结构，应用ANSYS软件对其进行了强度、刚度检算；在此基础上对盾构结构进行了优化设计.

1 工程概况

莲花水库工程主要建筑物由主坝、副坝和灌溉隧洞组成.工程灌溉隧洞位于副坝左岸，全长283.904 m，城门洞型结构，开挖断面尺寸为2.1m×2.4m，衬砌成型后混凝土过水断面为1.5m×1.8m，出口段采用Φ800的钢管和锥阀室连接，整个洞身处在I类围岩中，隧洞埋深在4～12m之间，整个洞身均处在地下水位以下，洞身段围岩为二类，岩性是沙性高岭土和强风化的花岗岩，且大部分处于沙性高岭土围岩区内，其中沙性高岭土围岩基本特性含水量高，透水性强，自身的稳定性比较差，遇水极易软化和崩解，成流塑状.针对特殊的地质条件，本施工结构可用于解决如何在软岩隧洞掘进时施工的“安全、快捷、经济”难题.

2 盾构结构检算

盾构结构外护壳采用15mm的钢卷板，钢卷板内侧采用槽8型钢做肋劲，拱顶横撑采用工10号型钢，立撑分别采用1根工10型钢和两根槽8型钢组成，具体布置见图1所示.肋筋横向连接采用3根间距为35cm槽8型钢布置，具体布置见图2所示.

图1 盾构结构横断面图

图2 盾构结构纵断面图

2.1 有限元分析模型［4］

根据盾构结构设计情况，采用ANSYS分析软件，建立盾构结构的空间有限元模型.管片结构采用空间壳单元（shell63）模拟，肋筋和其连接杆件均采用空间梁单元（beam44）模拟.单元的每个结点包括3个平动自由度和3个转动自由度.各构件（肋筋、横撑杆、立杆以及斜向的连接构件）的截面特性采用读入截面的形式定义，各型钢结构基本构件之间的连接按固接处理.

工程主要荷载包括围岩压力与稳定渗流情况下的地下水压力，依据水工隧道设计规范，将以上2种荷载分解为垂直压力与水平压力，计算荷载是通过程序设定以面荷载形式直接施加在结构上.壳单元与梁单元（肋筋与立撑结构）之间采用节点自由度耦合的方法连接在一起.盾构结构下端整体按固结处理，即约束结构的6个自由度，依据实际施工中纵伸向两端各有0.5m分别在衬砌与岩土夹层之间和岩土内部，因此约束模型中相应尺寸内的3个角位移和x、y方向的位移.模型总体空间布置示意图如图3所示.

图3 盾构结构ANSYS空间有限元计算模型

2.2 荷载统计

根据《水工隧道设计规范》［5］可知，验算盾构结构强度时的荷载组合为：自重＋岩体压重＋水压重.

盾构结构自重由程序自动计入；强风化花岗岩容重取1.8t／m3，按松散体结构围岩类型进行计算分解；水容重取10kN／m3，外水压力依照规范进行计算；换算得到的垂直面荷载与水平面荷载以上荷载均取1.3倍安全系数.将以上荷载以面荷载形式施加于模型上进行计算.

2.3 结果分析

根据计算得到盾构结构各杆件应力计算结果汇总见表1.

表1 盾构结构各杆件应力最值表 （单位：MPa）

以表1结果可见：盾构结构各杆件最大应力出现在盾构两边肋筋所在处，最大压应力64.9MPa，最大拉应力108MPa，小于Q235构件的容许应力1.3×145＝188.5MPa，其余各杆件的应力值均远远小于容许应力，且最大应力仅为容许应力的54.6%，这说明结构强度安全储备较大，材料强度利用不够充分，结构布置形式需要改进，结构设计需要优化.

根据计算得到盾构结构卷板应力计算结果汇总见表2.

表2 盾构结构外护壳应力最值表 （单位：MPa）

以表2结果可见：盾构结构外护壳钢板最大压应力56.6MPa，最大拉应力74MPa，小于Q235构件的容许应力1.3×145＝188.5MPa，远远小于容许应力.钢板在水平挠度fmax＝0.001 084m＜L／400＝0.008 75m，结构强度安全储备较大，材料强度利用不够充分，亦需要对钢板结构进行优化.

3 盾构结构优化［6］

根据上述预分析结果，盾构结构的设计材料利用不充分，有较大的优化空间，为了节约成本，降低工程造价，需要对盾构结构进行优化设计.

在满足盾构结构几何构造、强度、刚度和稳定约束条件下，结合部位的分散性、经济性、实用性等，按照优化理论，将结构总质量定义为目标函数，杆件的截面尺寸作为设计变量，拉杆的拉应力，压杆的压应力，结点最大位移定义为状态变量，采用ANSYS提供的一阶优化方法，通过APDL对盾构结构进行优化.建立按照重量最小优化问题的数学模型为［6］：

式中，W（A）为结构总质量，定义为目标函数；ρ为材料密度；Li为第i杆的长度；A＝为杆件截面面积向量，定义为设计变量；σi1分别为第i1杆件的拉应力和许用拉应力，通过有限分析，分别求出杆件的拉应力，该参数定义为状态变量；σi2、分别为第i2杆件的压应力和临界压应力，临界压应力可根据杆件的截面尺寸（已定义为设计变量）和材料特性求出，压应力可通过有限分析求出，分别求出杆件的压应力和临界压应力，该参数定义为状态变量；σj、分别为第j节点的位移和允许位移，节点的位移可通过有限分析求出，该参数定义为状态变量；、分别为杆件面积Ai的下界与上界，为设计变量的上限和下限；n，n1，n2，m分别为结构的杆件总数，拉杆总数，压杆总数和节点总数.

此处撤除原设计中受力较小的3根立杆1（工字钢），其余结构尺寸不变，优化后计算结果见表3～4.

表3 优化后盾构结构各杆件应力最值表（单位：MPa）

表4 优化后盾构结构卷板应力最值表（单位：MPa）

优化结果为将原设计中中间三根工字钢立杆去除，肋筋使用材料没有发生变化，结构材料优化结果见表5.通过优化计算，盾构结构优化后节省钢材0.677t，所节约的钢材为原设计的22.35%.从表4～5可见：优化后盾构结构钢板及各杆件的强度满足规范要求，且各结构受力有所增大，结构整体受力合理.优化后支架水平挠度fmax＝0.001 977m＜0.008 75 m，因此刚度亦满足要求，优化结果可靠，达到了预期的优化目的.

表5 优化前后所使用材料情况

4 结 论

1）采用ANSYS软件，根据盾构实际设计情况，建立该结构的空间分析有限元计算模型，较之平面分析计算模型，能够更有效的反映结构各部分的实际受力情况.

2）利用ANSYS软件的优化功能对盾构结构进行优化设计，充分考虑各杆件的受力工况，结构杆件的设计更趋于合理，有效的降低了工程造价.

［1］ 廖少明，侯学渊.软土盾构法隧道设计与施工的最新研究进展［J］.地下空间，1998，18：17－19.

［2］ 岳小丽，何亚伯.隧道盾构法施工的成本分析与降低成本措施［J］.现代隧道技术，2008，45（2）：36－40.

［3］ 符 强，李延强.ANSYS在贝雷梁施工支架检算及变形量预测中的应用研究［J］.铁道建筑，2012（6）：30－34.

［4］ 王新敏.ANSYS工程结构数据分析［M］.北京：人民交通出版社，2007：10.

［5］ SL279－2002.水工隧道设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［6］ 严 云.基于ansys参数化设计语言的结构优化设计［J］.华东交通大学学报，2004，21（4）：52－54.