兰州文理学院学报(自然科学版)
)JournalofLanzhouUniversitfArtsandScience(NaturalSciencesyo
Vol．３３No．３
Ma０１９y２
() 文章编号:２０９５Ｇ６９９１２０１９０３Ｇ００３７Ｇ０５
基于MIDASGTS的隧道衬砌强度
安全系数分析
()安徽建筑大学土木工程学院,安徽合肥２３０６０１
明 亮,汪东林,吴江龙
摘要:为研究隧道衬砌的厚度变化对其结构稳定性的影响,利用M模拟分析了某IDASGTS有限元分析软件,矿山隧道的开挖与支护过程,并根据其内力的变化计算分析了强度安全系数,探讨该隧道衬砌的安全性能,为以后相似工程提供设计经验,为实际施工提供技术指导．;关键词:数值模拟;结构分析;强度安全系数MIDASGTS中图分类号:U４５１．４ 文献标志码:B
0 引言
随着城市经济的发展,城市的交通问题逐渐
1 工程概况
成为限制城市发展的重心,而隧道等地下工程成为解决这一难题的关键．伴随着隧道等地下工程的不断发展,其展现出来的问题也越来越多,隧道衬砌作为隧道的主要承载结构,其问题的解决是
１]
非常迫切的．由有关资料[可知,在投入资金方
隧道,长为６途中经过区域为低山、丘陵．隧２６m,道方向为直线,设有单面纵坡,坡度为３‰,起点的洞口为竖井,竖井埋深约１终点位于山体６m,中,隧道最大埋深约６本隧道建筑限界根３．６m．据地铁B型车限界进行绘制,如图１所示．
上泉车辆基地试车线矿山法隧道为单洞单线
/由于客观及施工中的人为因素影响,工程中１３．
实际建成的衬砌结构总是与理想条件的结构有很大差别,这种差别的出现,正是由于施工中隧道衬
２]砌厚度的改变造成的[同时,相对于设计要求,．
/面,就衬砌而言,约能占到隧道总投资的１４~
2 数值模拟
由设计资料可知,该隧道穿越的地段中,围岩
多为Ⅳ类．该模型除了改变隧道衬砌的厚度,其他因素不做改变．通过改变衬砌厚度,得出相应的结构内力,计算并分析衬砌厚度与强度安全系数的联系,进而深入了解该隧道衬砌的安全性能．其中,该隧道的设计厚度为２为方便起见,在５cm．该模型中只对衬砌相对于其设计厚度做了相应的然后探讨其变化的规律．
调整,厚度为１５cm,２０cm,２５cm,３０cm,３５cm,2.1 隧道模型
,由设计资料建立二维模型(图２,图３)在有垂直方向取为６在考虑边界约束时,模型上０m．部为自由边界,未受到任何约束,模型左、右和下
]５
部边界均施加法向约束[计算过程中,用实体单．
二衬各截面的厚度的达标率也不尽人意,能达到设计要求厚度的隧道仅仅占到５这些不０％左右,更是会危及隧道中行车的安全,存在相当大的隐患．因此研究隧道衬砌厚度对隧道结构安全性的影响,是现在亟待解决的问题．
本文以杭州至临安城际铁路工程为背景,运用MIDASGTS有限元分析软件模拟分析了隧
道结构的开挖与支护过程,在前人研究的基础
３]
,上[考虑了锚杆的作用,通过不断改变衬砌的厚
仅对衬砌的安全储备能力和使用寿命有所降低,
限元计算中,边界约束条件对计算结果影响较大,
度,根据砌体结构截面强度的检算方法及判别规定分析了在锚杆、初期支护和二次衬砌共同作用下、不同衬砌厚度下隧道结构的安全性,为以后相似工程提供设计经验,为实际施工提供技术指导．
收稿日期:２０１９Ｇ０３Ｇ２２com．
]４
,为减少此不利因素[模型范围水平方向取８０m,
元模拟隧道周围的围岩地层,隧道衬砌和锚杆则
),:作者简介:明亮(男,安徽宣城人,在读硕士,研究方向:地下结构计算理论与应用．１９９４ＧEＧmail１０２６９４７７８３＠q．q
兰州文理学院学报(自然科学版) 第３３卷３８
图１ 直线段隧道建筑限界及衬砌内轮廓
分别用一维梁单元和一维植入式桁架来模拟．
６]
,尔库伦本构模型[围岩等参数详见表１．Ｇ
2.2 计算参数
衬砌材料采用弹性本构模型,而围岩采用莫
图３ 衬砌模型单元编号图
表１ 计算参数
()有锚杆时a
类别围岩C３５混凝土
锚杆
/容重g弹性模量泊松比粘聚力内摩擦角
３)//(EPacMPaφ(°)KNmsμ２１２５７８
３．１５e１０２．１e８１．５e９
０．３０．２０．３
０．４－－
２７－－
2.3 衬砌结构内力及安全系数
通过模拟分析,可得到在有初支、锚杆、二次衬砌共同作用下衬砌的弯矩和轴力．为了简便,下()见图４－图９．
分别是衬砌厚度为２０cm、２５cm、３０cm的情况面只列出２种模型下３种情况的弯矩和轴力图,
()无锚杆时b
图２ 有限元模型图
第３期明亮等:基于MIDASGTS的隧道衬砌强度安全系数分析
３９
(a
)有锚杆时图４ 衬砌轴力图(b
)无锚杆时(厚度２０cm)
(a
)有锚杆时图５ 衬砌弯矩图(b
)无锚杆时(厚度２０cm)
(a
)有锚杆时图６ 衬砌轴力图(b
)无锚杆时(厚度２５cm)
(a
)有锚杆时图７ 衬砌弯矩图(b
)无锚杆时(厚度２５cm)
兰州文理学院学报(自然科学版) 第３３卷４０
７]
),规定[混凝土偏心受压构件按破坏阶D７０Ｇ２００４
段进行强度验算．具体计算方法为根据材料的极
可以对衬砌的安 基于上述模型分析的结果,
(全性能进行检验．根据«公路隧道设计规范»JTG
与实际内力相比较,得出截面的抗压(或抗N极限,
]８Ｇ９
,拉)强度安全系数,检查其是否满足规范要求[
()有锚杆时a
限强度,计算出偏心受压构件的极限承载力
即:
K＝
N极限
≥K规．N()１
图８ 衬砌轴力图(b
)无锚杆时(厚度３０cm)
(a
)有锚杆时图９ 衬砌弯矩图(b
)无锚杆时(厚度３０cm)
当由抗压强度控制,即e＝
MN≤０．
２h时:N极限＝φαRabh．式中:φ为构件纵向弯曲系数,取φ＝１土或砌体极限抗压强度;b为截面宽度;R(２
)a为混凝,取为截面厚度．a为轴力的偏心影响系数,取
１m;hα＝１－１．５eh．
当由抗拉强度控制,即e＝
M１．７N５R≥０．
２h时:N极限＝φ６lbh
(he－１．３
)式中:Rl为混凝土极限抗拉强度．
根据以上公式,可计算得出隧道拱圈单元的
安全系数[１０Ｇ１１
]．并对相应数据做了整理(见表２)．
表２ 安全系数统计表
衬砌安全系数
检验通
/厚度cm
拱脚过比例单元１０号拱腰单元１号拱顶单元１３号安全系数
均值/％１２５２２．１５０２１６２０３５２．２４０２．７１２１２．８８３６２．３３７２．８４５１２１．．１４７５６．３０３６．３２５８１３０５
２．．４５２０３８
３．９８６３．．１２２５３８
１１１０．．０８６２９９４８
６．３８１９２．．２６．．４５６５１５
１３．５８１００００
3 结论
对比以上各图可以得出,随着衬砌的厚度增
加,衬砌的弯矩值也在不断增加．经过计算分析,衬砌的强度安全系数也随之增大;并且锚杆增大了衬砌的轴力和弯矩,使得隧道衬砌具有较高的
安全性挖及支护过程．有限元仿真能比较真实地模拟隧道的开,能够明显反映出其结构内力的变化及变形情况,进而可以用来评估隧道衬砌结构
第３期明亮等:基于MIDASGTS的隧道衬砌强度安全系数分析
[]():公路,J．２００６５２２８Ｇ２３３．
４１
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[责任编辑:李岚]
AnalsisofSafetactorofTunnelLinintrenthBasedyyFgSg
onMIDASGTS
(,A,H)ColleeofCivilEnineerinnhuiUniversitfArchitectureefei２３０６０１,Chinagggyo
MINGLianWANGDonＧlin,WUJianＧlong,ggg,GTSfiniteelementanalsissoftwareandthestrenthsafetfactoriscalculatedandanalzedaccordＧygyy
,inothechaneofitsinternalforce．Thesafeterformanceofthetunnellininisdiscussedwhichgtgypgtion．
rovidesdesinexerienceforsimilarproectsinthefutureandtechnicaluidanceforactualconstrucＧpgpjg:;;KeordsMIDASGTS;numericalsimulationstructuralanalsisstrenthsafetactorygyfyw
:AbstractInordertostudheinfluenceofthechaneoftunnellininhicknessonitsstructuralstaＧytggt
bilittheexcavationandsuortrocessofaminetunnelissimulatedandanalzedbsinIDASy,pppyyugM
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