成都-gts nx 在影响评估数值模拟中的应用

1、重庆市纵七路道路施工对轨道六号线区间隧道及附属设施影响有限元分析2014年10月一、项目概况为加快重庆市北部高新区建设，高新区土地整治储备中心拟对大竹林片区进行建设，该区域共包含11条道路，纵七路为其中之一。纵七路为城市次干道，设计行车速度40km/h，标准路幅宽度为20m和22m，设计采用双向两车道。全长704.372m。轨道六号线光电园站至竹林公园站区间位于大竹林组团片区，从拟建纵七路下方穿过。2一、项目概况轨道六号线光电园站至竹林公园站于2009年开工建设，2012年9月28日通车运营。区间隧道设计采用复合式TBM法施工。左右线为单洞单线，截面为直径6.0m的圆形截面，衬砌横向由六块30

2、0mm的C50混凝土预制管片拼装形成一环，纵向按错缝拼装构成。管片的纵向宽度为1.5m，横向主筋为16125双向配筋，纵向主筋按10150双向配筋。预制钢筋混凝土管片在纵向、横向通过M27 螺栓连接，M27螺栓机械性能等级为6.8级（抗拉强度600Mpa，屈服强度480Mpa）3一、项目概况影响范围内区间隧道设有配套风机房，采用暗挖法施工。风机房高14.661m，宽9.460m，采用复合式衬砌形式，初期支护为喷射混凝土加锚杆，喷射混凝土标号为C25，锚杆为22砂浆锚杆，长3.0m；二次衬砌为C30防水钢筋混凝土，衬砌厚度600mm。二衬横向主筋为25200双向配筋，纵向主筋按18200双向配筋

3、4一、项目概况设计纵七路在里程K2+573.267处与轨道六号线左线呈平面正交关系，在里程K2+587.075处与轨道六号线右线呈平面正交关系。设计里程K2+613处道路东侧现状轨道排风口出露地面，为减小拟建道路对现状轨道排风口的影响，道路设计时将K2+575K2+645范围内的车行道与人行道分离，人行道布置在排风口西侧，车行道布置在排风口东侧，避开轨道六号线现状排风口。排风口外边缘距车行道边0.86m，距人行道2.54m，纵七路设计在K2+600K2+640左侧段道路设置防撞护栏结构，保护轨道现状排风口，轨道排风口左侧挖方边坡设计网格护坡进行坡面防护。5一、项目概况设计纵七路在里程K2+57

4、3.267处位于轨道六号线区间隧道正上方，原地表高程约为306.000310.000m，纵七路道路设计高程约为292.928m，对应轨道左线轨面高程为269.690m，轨道右线轨面高程为270.280m，该位置拟建道路 开挖深度约13.58516.441m，开挖后轨道左线埋深约18.552m，轨道右线埋深约17.244m。6一、项目概况道路右侧存在一高压铁塔，铁塔距离设计道路人行道边线约14m，设计采用板肋式锚杆挡墙支护，边坡坡顶距离铁塔不小于10m，两端边坡坡率渐变为与道路边坡顺接，道路边坡设计为坡率法放坡。7一、项目概况拟建道路与现状轨道风机房平面呈并行走向，风机房位于拟建道路车行道与人行

5、道之间，该位置拟建道路开挖深度约13.37315.721m，道路成形后，风机房埋深约为8.39510.991m；现状排风井顶面高程约为307.200m，道路开挖后，排风竖井将有15.6m结构裸露于地表之上，纵七路路基开挖34m时，对现状排风口进行一次切割；当道路开挖至设计标高后，排风口的顶面标高需比道路设计标高高出1.3m，即排风口顶面标高切割至标高为293m，并在排 风口四周及顶面设置防落网进行防护，切割过程中防止落石且不能破坏结构的整体性，切割施工应避开轨道运营时 段，在夜间施工，保证轨道的安全运营。8一、项目概况 风险源辨识（1） 拟建道路开挖施工对现状运营轨道区间隧道及风机房结构形成

6、卸载，造成现状轨道结构发生变形，结构变形对轨道的正常运营产生一定影响；（2） 道路施工完成后投入使用，对现状运营轨道区间隧道形成加载，原隧道衬砌结构重新受载情况下，其安全度及使用长久性会发生变化；（3） 道路施工时，对现状通风竖井的受力状态产生改变，道路施工 完成后，需对现状通风竖井进行切割，均会对现状通风井结构产生影响。9二、结构安全性评估拟建道路处现状三维模型图拟建道路处现状三维有限元模型图10二、结构安全性评估拟建道路建成后三维模型图拟建道路建成后三维有限元模型图11二、结构安全性评估拟建道路通风竖井渝合高速拟建道路渝合高速轨道六号线轨道六号线拟建道路建成后三维模型俯视图拟建道路建成后三

7、维有限元模型图12二、结构安全性评估三维模型的计算荷载结构自重；隧道开挖产生的围岩释放荷载； 道路开挖岩土体产生的释放荷载；道路运营产生的地面超载：40kN/m2。相关参数的选取通过地质勘察，查明岩土的空间分布从上向下分布为中风化砂岩、中风化泥岩，局部夹砂岩层。区间隧道保护围岩主要为中风化砂质泥岩层，围岩级别为与级。13实体模型材料性质天然重度(kN / m3)弹性模量(GPa)泊松比粘聚力(MPa)摩擦角()围岩1砂岩24.83.520.300.5830围岩2砂质泥岩25.31.500.380.15429竖井壁建筑材料25.0310.2混凝土衬砌建筑材料25.031x0.80.2二、结构安全

8、性评估计算步计算步1模拟在自重应力场下围岩的应力状态；计算步25这4个计算步模拟现状渝合高速开挖及使用、轨道六号线区间隧道、风机房、竖向通风井开挖和衬砌、墙壁支护的施工过程；计算步67模拟拟建道路分层（一、二阶）开挖的过程；计算步8模拟新建道路车行加载的过程。14二、结构安全性评估计算步1-初始状态计算步2-渝合高速施工15二、结构安全性评估计算步3-轨道施工计算步4-轨道施工16二、结构安全性评估计算步5-轨道施工计算步6-道路施工17二、结构安全性评估计算步7-道路施工计算步8-道路运营18二、结构安全性评估 计算结果计算阶段左线（mm）右线（mm）风机房（mm）洞顶洞底洞顶洞底洞顶洞底道

9、路一阶开挖1.591.161.691.262.211.15道路二阶开挖3.492.543.92.884.672.42道路车行加载3.42.473.812.814.582.38二、结构安全性评估变形标准重庆轨道交通一号线地铁线路修理规则（试行）（2011.3），并已按该规则对轨道一号线正常运营进行管理。该规则第八十二条 保养标准 。道路开挖，引起区间隧道洞顶位移3.90mm，仰拱位移2.88mm；道路使用阶段，地面加载使区间隧道隆起变形缓解，隧道洞顶最大位移3.81mm，仰拱位移2.81mm。均满足轨道安全运营经常保养阶段，变形不超过6mm的要求。二、结构安全性评估 区间隧道位移沉降规律拟建道路

10、施工及使用阶段主要引起轨道六号线区间隧道纵向局部产生变形。为了更好了解道路施工对轨道六号线区间隧道的影响，取纵截面A-A进行位移监控，绘出最不利阶段计算状态下的拱顶位移曲线。21二、结构安全性评估从以上所示数据和位移曲线中可以看出，新建道路开挖至设计高程后区间隧道的拱顶最大上拱为3.90mm，仰拱最大隆起2.88mm，道路使用阶段，隧道拱顶上拱减至3.81mm，仰拱隆起减至2.81mm。目前重庆轨道六号线安全运营允许轨道静态几何尺寸容许偏差值的变形量最大值为10mm，纵七路施工及使用引起轨道六号线光电园竹林公园区间隧道变形均小于该限值，因此该项目不会对轨道安全运营产生影响。22二、结构安全性评

11、估拟建道路施工及使用阶段主要引起轨道六号线区间隧道配套风机房呈向上隆起状态，新建道路开挖至设计高程后风机房衬砌结构拱顶最大上拱4.68mm，道路使用阶段，由于地面的超载作用，衬砌结构上拱有所回落，减至4.59mm。纵七路施工及使用引起风机房衬砌结构变形均小于该限值，因此该项目不会对风机房的正常使用产生影响。23二、结构安全性评估盾构隧道内力计算盾构工程用标准管片（1990年）中的内容，取值在0.8至0.6之间；取值在0.3至0.5之间。盾构工程用标准管片（1990年）提供的建议值=0.7，=0.3计算。（b）接头引起的弯矩传递（a）管环抗弯刚度计算二、结构安全性评估 区间隧道结构内力安全性评价

12、区间隧道位移分析结果表明，轨道六号线区间隧道在拟建道路开挖中心产生最大竖向位移，因此需要按道路开挖完成阶段和运营阶段为条件，对隧道横向截面进行内力验算。根据修正惯用法的原理，拼装衬砌在管片接头处的弯矩减小为(1-)M,在其他位置增大为(1+)M，=0.3，对计算得到的弯矩在接头位置进行减小与增大。将所计算出的结构内力，在非接头处按照铁路隧道设计规范（TB100032005）可以计算各截面在偏心受压下的安全系数，和截面指定位置的裂缝宽度；在接头处按下图所示的受力模式计算螺栓应力，判断螺栓是否屈服。NfcMo y25二、结构安全性评估道路开挖阶段26二、结构安全性评估道路开挖区间隧道左线截面内力验

13、算表道路开挖区间隧道右线截面内力验算表27截面位置轴力N(kN)剪力Q(kN)弯矩M(kNm)弯矩调整M(KNm)破坏类型安全系数裂缝宽度(mm)顶拱8781.362.713.523小偏心60.77不需检算仰拱9891.366.057.865小偏心29.39不需检算边墙11171.365.837.579小偏心32.96不需检算截面位置轴力N(kN)剪力Q(kN)弯矩M(kNm)弯矩调整M(KNm)破坏类型安全系数裂缝宽度(mm)顶拱8971.365.397.007小偏心30.96不需检算仰拱10111.367.7610.088小偏心23.24不需检算边墙11691.366.868.918小偏心

14、28.82不需检算二、结构安全性评估道路开挖左线隧道接头位置内力验算表道路开挖右线隧道接头位置内力验算表28接头位置轴力N (kN)剪力Q (kN)弯矩M(kNm)弯矩调整破坏类型螺栓应力(MPa)08826.33.32.31小偏心2.942010821.65.84.06小偏心3.61829869.56.04.2小偏心3.3015410526.32.92.03小偏心3.5122610842.35.63.92小偏心3.612988765.14.33.01小偏心2.92接头位置轴力N (kN)剪力Q (kN)弯矩M(kNm)弯矩调整破坏类型螺栓应力(MPa)09217.84.83.36小偏心3.0

15、82011501.96.74.69小偏心3.888210225.47.35.11小偏心3.4215410927.03.52.45小偏心3.6222611623.36.84.76小偏心3.892989044.25.43.78小偏心3.01二、结构安全性评估道路运营阶段29二、结构安全性评估道路运营左线隧道截面内力验算表道路运营右线隧道截面内力验算表30截面位置轴力N(kN)剪力Q(kN)弯矩M(kNm)弯矩调整M(KNm)破坏类型安全系数裂缝宽度(mm)顶拱9173.773.084.004小偏心54.964不需检算仰拱10283.706.348.242小偏心28.752不需检算边墙11681.6

16、26.268.138小偏心31.569不需检算截面位置轴力N(kN)剪力Q(kN)弯矩M(kNm)弯矩调整M(KNm)破坏类型安全系数裂缝宽度(mm)顶拱9354.295.797.527小偏心29.611不需检算仰拱10494.258.1910.647小偏心22.548不需检算边墙12200.457.299.477小偏心27.848不需检算二、结构安全性评估道路运营左线隧道接头位置内力验算表道路运营右线隧道接头位置内力验算表31接头位置轴力N (kN)剪力Q (kN)弯矩M(kNm)弯矩调整破坏类型螺栓应力(MPa)09226.33.82.66小偏心3.06209201.66.34.41小偏心

17、3.788211269.56.44.48小偏心3.5915410716.33.02.1小偏心3.6622610922.35.94.13小偏心3.762989165.14.33.01小偏心3.05接头位置轴力N(kN)剪力Q(kN)弯矩M(kNm)弯矩调整破坏类型螺栓应力(MPa)09437.85.23.64小偏心3.212011951.97.25.04小偏心3.998211195.46.14.27小偏心3.7515411317.01.20.84小偏心3.7822611823.37.65.32小偏心3.922989204.26.84.76小偏心3.14二、结构安全性评估 区间段横向内力计算结论区

18、间隧道横向内力计算表明，道路开挖及使用阶段，对轨道六号线隧道衬砌产生的附加内力主要以受压为主，按照隧道衬砌标准断面设计可以保证隧道结构的承载能力要求和正常使用要求；在管片接头位置因全截面受压，螺栓计算得到的应力远小于屈服强度480Mpa，所以管片接头安全。因此不需要对区间隧道衬砌断面进行加固设计。32二、结构安全性评估以上结构横向内力计算表明，道路开挖及使用阶段，对轨道六号线隧道配套风机房衬砌产生的附加内力主要以受压为主，按照风机房衬砌标准断面设计可以保证隧道结构的承载能力要求和正常使用要求；因此不需要对 区间隧道衬砌断面进行加固设计。33截面位置轴力N(kN)剪力Q(kN)弯矩M(kNm)破

19、坏类型安全系数裂缝宽度(mm)顶拱1355.624.396.34小偏心86.751不需要检算仰拱1761.3124.4635.08小偏心18.516不需要检算边墙1224.24256.42191.01小偏心2.6990.053拱脚1850.9999.96100.69小偏心6.656不需要检算二、结构安全性评估 深浅埋结构判断及计算区间隧道深浅埋判断根据地质勘测报告，区间隧道拱顶围岩级别为级，区间隧道开挖宽度d=6.0m。按照铁路隧道设计规范中的内容，判断轨道六号线区间隧道深浅埋类型，计算过程如下。宽度影响系数w =1+ i(B - 5)1+ 0.2(6 - 5)=1.2荷载等效高度h = 0.

20、45 2s-1w= 4.32 （m）q深浅埋分界高度= (2.02.5)h = (2.02.5)4.32 = 8.6410.8(m)拟建道路开挖后，区间隧道最小埋深17.244m，大于深浅埋分界高度，仍为深埋隧道，区间隧道原按深埋条件进行设计，拟建道路建成后未改变其深埋受力条件，故隧道内力分析符合原设计要求，可满足结构承载能力极限及正常使用要求。34二、结构安全性评估 深浅埋结构判断及计算风机房衬砌深浅埋判断及内力计算根据地质勘测报告，风机房拱顶围岩级别为级，其开挖宽度d=11.0m。按照铁路隧道设计规范中的内容，判断轨道六号线区间隧道深浅埋类型，计算过程如下。宽度影响系数w =1+ i(B

21、- 5) =荷载等效高度=2.41+ 0.2(6 - 5)h = 0.45 2s-1w= 8.64（m）q深浅埋分界高度= (2.02.5)h = (2.02.5)8.64 = 17.2821.60(m)拟建道路开挖后，风机房衬砌结构最小埋深8.395m，远小于深浅埋分界高度 ，所以拟建道路开挖后，风机房衬砌结构为浅埋。35二、结构安全性评估q = 212.52kN / m, e1 = 32.56kN / m, e2= 98.14kN / m36二、结构安全性评估道路运营右线隧道截面内力验算表风机房结构衬砌横向内力计算表明，道路开挖及使用阶段，对轨道六号线隧道配套风机房衬砌产生的附加内力主要以

22、受压为主，按照风机房衬砌标准断面设计可以保证隧道结构的承载能力要求和正常使用要求；因此不需要对其衬砌断面进行加固设计。37截面位置轴力N(kN)剪力Q(kN)弯矩M(kNm)破坏类型安全系数裂缝宽度(mm)顶拱80474.63303大偏心2.9640.114仰拱173814.61242小偏心2.6620.068边墙1551130.89279小偏心2.1480.079拱脚1828158.23436大偏心2.5080.169二、结构安全性评估隧道纵向内力分析设计纵七路项目施工会引起轨道六号线区间隧道纵向不均匀变形，进而产生纵向附加弯矩。因此这里对轨道六号线区间隧道拱顶截面A-A的内力进行积分，得到

23、纵向弯矩，并按照区间隧道纵向配筋进行承载力和抗裂性能的检算。38二、结构安全性评估隧道纵向内力分析区间隧道在拟建道路开挖时产生的最大纵向弯矩为10.03 kNm，按修正惯用法修正后为13.04kNm；道路使用阶段的最大纵向弯矩为9.22kNm，按修正惯用法修正后为11.99kNm。TBM衬砌厚300mm，纵向配筋按照10150对称配筋进行设计。在此配筋设计下，隧道纵向单位宽度所能承受的最大弯矩为43.09kNm，大于计算得到的最大纵向弯矩，满足隧道纵向承载力要求； 在道路开挖时的最大纵向弯矩13.04kNm作用下产生，衬砌最大裂缝宽度为0.105mm，在道路使 用后纵向弯矩11.99kNm作用

24、下产生的最大裂缝宽度为0.097mm，均满足规范中规定的最大裂缝 小于0.2mm正常使用要求。因此轨道六号线区间隧道衬砌设计满足纵向承载能力抗弯要求。39二、结构安全性评估通风竖井分析竖向通风井设计壁厚500mm，横向主筋为25200双向配筋，纵向主筋按18200双向配筋。通风井壁受力示意图现状通风井埋深约24.116m，对应图中e1=185.2 kN/m2，拟建道路开挖至设计高程，通风井埋深减至8.395m，对应图中e2=76.5 kN/m2，较e1减小约108.7 kN/m2，由于通风井周边所受均载减小，其内力同样变小， 而竖向通风井满足现状埋深条件下的承载能力要求和正常使用要求，故可推得，拟建道路开挖及车行加载后， 现状风井壁结构断面同样满足承载能力要求和正常使用要