地铁群洞隧道结构的安全性探微

张英杰

辽宁省交通规划设计院有限责任公司

地铁群洞隧道结构的安全性探微

张英杰

辽宁省交通规划设计院有限责任公司

目前，我国经济发展快速，为了充分利用资源，人们把不断增加的注意力投入到了地下工程中。无论是能源工程仍是交通建造，都涉及到地下工程的运用。因而，研讨地下工程运营期的稳定性，确保地下工程在施工和运营期的安全就变得尤为重要。这篇文章以某地铁隧道为例，以大型通用软件ANSYS进行有限元数值模拟计算为研讨手法，侧重研讨群洞地道结构在周边土体影响下，结构内部发生的位移、应力及应变解，从而对结构的稳定性进行剖析。

地铁；群洞隧道；结构；安全性

一、结构安全性计算原理

这篇文章模型运用solid45单元进行计算，已知点的弯矩和轴力不能直接输出，参阅《地铁力学数值办法》一书中介绍的管理，选择已知点，输出已知点的为首﹑第二主应力，对该点的弯矩跟轴力进行计算。在衬砌各单元各个高斯点的应力分量已知的情况下，对于等厚度衬砌，可以按照下述办法计算衬砌经过两个对应高斯点的截面上的法向应力。设已知两个高斯点及其坐标：G2(x2, y2)，G1(x1, y1)，则经过这两个高斯点的衬砌截面与竖直面之间的夹角α为：

各个高斯点的法向应力σn在所论截面上可按下式计算

式中，σx，σy，τxy为所论高斯点的应力重量；θ为所论截面的外法线与σx之间的夹角，以逆时针方向为正，θ=-a。

按(2)式算出设这两个高斯点上的法向应力，且分别为σn1和σn2，则由图1可知，截面的外边缘法向应力可按式(3)计算(假定法向应力按线性分布)。

式中，高斯点的坐标为ξ，当采用2×2阶高斯积分时，ξ=0.57735。

图1 应力外插

截面边际应力值既已定出σ1，σ2，则作用在所论截面上的弯矩M和轴力N可按式(4)计算。

式中，b，d为所论截面的宽度和厚度。在计算安全性过程中，这篇文章参考了《铁路地铁设计标准》的要求，对全部群洞结构的可疑点的安全系数进行计算。标准要求，对衬砌结构计算过程中，混凝土和砌体矩形截面基地及偏疼受压构件的抗压强度应按照式(5)计算。

从抗裂要求出发，受压构件的抗拉强度混凝土矩形截面偏心，应按式(6)计算。

式(5)及式(6)中，Ra为混凝土或砌体的抗压极限强度。

R1为混凝土的抗拉极限强度；α为轴向力的偏心影响系数；N为轴力；b为矩形截面的宽度；h为截面的厚度；φ为构件的纵向曲折系数；K为安全系数。

依据公式(5)及公式(6)，在可疑点所受的轴力及弯矩已知的情况下，反向求出该点安全系数的最小值。

二、工程概况及相关参数

某地铁主要走行于红石路下方，在YDK23+680(ZDK23+688.611)处设一处联络通道，本处区间隧道结构上下设置，较小的净距，联络通道选用竖井的构造和横通道型式，区间隧道围岩为中等风化砂质泥岩，围岩呈块状砌体构造，岩体较无缺。水文地质条件简略，为基岩裂隙水，大气降水补给。基坑单位涌水量5.8L/min·10m，地道单调或湿润，围岩级别Ⅳ级，成洞条件较好。

本处联络通道与正线隧道及联衔接断面﹑连络通道﹑竖井在有限的范围内共存，可能会发生群洞效应，因而，本处建立三维模型，采用地层模式，将一切隧道结构一起思考。计算时简化思考地上超载，经过计算断定以下内容：根据计算结果，找出衬砌结构里的不利区域及最不利方位点；检算不利区域内的二次衬砌结构安全。

三、数值计算结果分析

本次计算选用solid45，mesh200单元进行计算。

本次核算的群洞构造位于模型的中心部分，在只考虑机构自重跟周边土体压力的状况下，计算构造承受的应力及应变等状况。核算参数的设置：土体的密度为2590kg/m3，弹性模量为29.5×109Pa；弹性模量为2.392×106Pa，泊松比0.35；混凝土的密度为2600kg/m3，泊松比0.20.

经过软件模仿，我们得到，群洞隧道所受的最大应力发生在横通道与两个水平地道交汇面上，主要分布在横通道的拱腰方位，所受压应力约为9.34MPa，衬砌结构选用C30混凝土，极限抗压强度为22.5MPa，强度条件满足要求，结构不存在因混凝土强度不足导致的结构失稳或破坏；群洞地道最大的应变发生方位与最大应力方位一样，最大应变值为2.59×10-4m；结构的最大位移发生在上侧涵洞及竖井的拱顶方位，发生的位移最大值为0.01173m。

应力云图中衬砌结构显现的应力较大处，即结构相对风险区域，选择8个点，验证结构的安全性，对衬砌结构安全系数进行计算。根据各点的第一﹑第二主应力求得该点所受的弯矩﹑轴力，以及验证的各点的安全系数成果。

结语

综上所述，结构的不利区域发生在联络通道的拱肩方位及竖井结构的直角处，应力最大方位，即结构的最不利方位发生在横通道与隧道交汇面上；在不利方位区域选择结点，计算所选择结点的弯矩﹑轴力，再对所选择点进行安全系数的计算。依据计算结果得知，选择的各结点安全系数都比较高；结果表明群洞结构在周边围岩效果下，全部群洞隧道结构的安全性满足要求，可为类似工程供给参考。

[1] TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2010：69-71.

[2]闫宇蕾.大型地下洞室群施工方案优化及围岩稳定性研究[D].北京：北京交通大学，2010(16)：32-34.