MIDAS-GTS在隧道和地铁工程中的应用

MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.1://报告内容一．隧道及地铁工程中的常遇问题二．利用GTS的解决方案（应用）(1)隧道工程施工方法选择.(2)隧道工程与其他工程的相互作用分析.三.隧道工程中若干局部细节计算的考虑方法.（局部）MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.3一、隧道及地铁工程中的常遇问题MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.4施工工况的优化和选择（针对隧道本身）工程经验不足隧道洞口偏压双/三联拱隧道大断面浅埋暗挖隧道小净距隧道（主）考虑掘进长度的三维分析等（结合苏州凤凰山双联拱隧道工程）2隧道及地下工程开挖对已有建筑设施的影响（结合深圳地铁5号线某桩基托换工程）3新建地下工程对已建地下工程的影响评价（结合广佛地铁二、八线沙园地铁车站及曲线盾构隧道相邻建筑深基坑开挖工程）MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.5二、利用GTS的解决方案（应用）MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.61施工工况的优化和选择（针对隧道本身）（结合凤凰山双联拱隧道工程）苏州凤凰山隧道工程位于苏州市吴中区木渎镇境内，属宝带西路延伸段改建工程的一部分,穿越七子山西北侧凤凰公墓区，隧址区为一小山体。苏州凤凰山隧道工程分一期和二期工程进行建设。凤凰山隧道一期工程为一座连拱隧道。凤凰山隧道一期工程连拱隧道全长175m，起讫桩号分别为K1+985和K2+160,其中明暗洞分界桩号为K2+001及K2+144，暗洞段长143m，属短隧道。隧道最大埋深23m，埋深小于10m的暗洞长度占整个暗洞的比例约为34％，属典型浅埋隧道。根据地质报告，隧址区地质条件较差，基本为Ⅴ级围岩，隧道最大开挖跨度32.2m，属软弱围岩大跨隧道。因此，凤凰山连拱隧道属软弱围岩中浅埋大跨隧道，施工具有较大难度。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.7（1）基于荷载-结构法的隧道结构静力计算分析MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.8图1-1二次衬砌的侧向变形图图1-2二次衬砌的竖向变形图图1-3二次衬砌轴力图图1-4二次衬砌弯矩图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.9（2）基于地层-结构法的隧道结构静力计算分析凤凰山连拱隧道毛洞跨度达到32.2m，且存在一定的偏压现象，以前类似的工程较少，可以借鉴的经验不多，给设计带来了较大的困难，因此应对其进行相关计算，对设计进行校核。图2-1联拱隧道整体模型MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.10图2-2联拱隧道局部模型MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.11图2-3中导洞开挖后的地层竖向位移图图2-4左洞开挖后的地层竖向位移图图2-5右洞开挖后的地层竖向位移图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.12图2-8中隔墙最大压应力图图2-6围岩塑性拉应力区图图2-9中隔墙最大拉应力图图2-7围岩塑性压应力区图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.13图2-10导洞法开挖临时支护和初支部分内力图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.14图2-12二次支护组合应力图图2-11二次支护结构轴力与弯矩图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.15小结：在地下工程缺乏相应工程经验或者需要进行方案选择的时候，利用数值计算软件，可以对工程有初步和定性的认识，为工程设计提供重要参考。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.162隧道及地下工程开挖对已有建筑设施的影响（结合深圳地铁5号线某桩基托换工程）MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.17MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.18MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.19说明：1，该工程为国内铁道第三设计院与韩国某工程咨询合作，利用GTS所做的一个深圳地铁5号线的桩基托换工程。2，计算主要考虑两点：（1）由于盾构隧道穿过桩基础，因此需要对原桩基础进行托换，考察托换后对原有上部结构的影响。（2）在托换以后地铁盾构将穿越桩基，计算模拟地铁掘进穿越桩基整个过程中，桩基所受到的侧向土压力的影响以及由此造成的上部结构的反应。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.203新建地下工程对已建地下工程的影响评价（结合广佛地铁二、八线沙园地铁车站及曲线盾构隧道相邻建筑深基坑开挖工程）本工程地块位于广州市海珠区工业大道北十一橡胶厂内。地下室形状为一不规则多边形，东侧是工业大道，其规划道路红线为40米；场地东南侧临近已完成主体结构施工的沙园地铁站，东北侧临近广佛线地铁隧道。南侧是榕景路，其规划道路红线为26米；西侧与26米规划路相接；北侧与规划路相接。该工程基坑部分及地铁风亭部分由广州市建筑科学研究院设计，期间考虑到对地铁的保护，需要对基坑开挖对地铁及附属结构所造成的影响做出整体评价，因此对该工程进行了整体数值计算，并结合大量工程实际经验作出合理设计。工程现状：目前地铁车站已经施工完成，由于盾构隧道的工期与基坑工期先后不能确定，因此计算一并考虑了盾构隧道。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.2114.3513.5614.0413.5612.0810.8612.4814.8914.8814.8915.198.287.487.487.367.757.4214.10ABCDEFGHIJKLMNPQ10.609.87.807.807.8014.8910.2310.359.69.69.68.088.0814.7514.3014.0013.4013.4014.5914.58工程总体平面图工期MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.22工程所有结构位置关系图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.23新建基坑与地铁盾构隧道、地铁车站的数值计算部分整体模型网格MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.24MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.25计算目的：由于基坑在车站及盾构隧道左侧开挖造成重大卸载，因此需要由此对地铁设施所造成的影响：（1）地铁车站与盾构隧道连接处与基坑挖通，卸载最大，应充分考虑车站右侧土压力对现有车站结构的不利影响a（2）曲线盾构隧道段沿基坑东南侧整体卸载，土体回弹将使盾构隧道向基坑侧移动，需要对其影响进行整体评价。（3）考虑到盾构井距离基坑很近，因此需要考虑对盾构井的影响MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.26图3-1整体X方向位移图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.27图3-2整体Y向位移图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.28图3-3整体Z向位移图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.29图3-4结构单元内力图MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.30MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.31MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.32MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.33计算结果MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.34车站右侧水平位移车站左侧水平位移MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.35MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.36结论1：通过整体数值计算分析，地铁车站在一侧重大卸载的情况下，开挖近侧发生向基坑侧的位移，即车站与隧道连接处整体向基坑侧移动，车站尾部（远离基坑侧向远离基坑移动），根据经验和以往学术论文，在此位移下基坑开挖对车站影响较小。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.37MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.38MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.39结论2：由于曲线盾构隧道沿着基坑布置，因此基坑开挖对隧道影响较大，且隧道衬砌（板单元）表面应力较大，内力也较大，考虑到安全性设计中采用在隧道部分留土保护。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.40MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.41结论3：考虑到盾构井较小，且支护刚度较大，经计算位移较小，基坑开挖对其影响不大，但考虑到盾构井与隧道连接处属于应力集中部位，因此在也做留土处理。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.42三、隧道及地铁工程中细部计算模拟的几点方法（研究高校）1，公路隧道初支与二次支护作用模拟2，盾构隧道管片连接MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.431，公路铁路隧道中关于初支和二次支护的模拟主要有以下几种方法：（1）考察支护结构的应力状况；通常采用平面应变（或者实体单元）来模拟初支和二次支护，可以得到准确的应力应变结果。（2）考察支护结构的内力用于配筋计算；通常采用梁单元来模拟二次支护，初支可以采用梁单元，也可以采用平面应变单元，但多采用平面应变单元。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.441，公路铁路隧道中关于初支和二次支护的模拟初支和二次支护的连接方法：（3）目前尚不能合理的模拟初支与二次支护之间的预留变形缝，在建立模型的时候一般不考虑。（4）如果采用荷载结构法研究初支和二次支护结构之间的作用，可以采用仅受压弹簧来模拟（该方法目前只能用于一次计算中）（5）如果采用实体单元来模拟初支和二次支护，可以采用设置接触单元的方法来模拟初支和二次支护之间的作用，对接触单元的参数做适当的调整和选择。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.452，地铁隧道中，盾构管片之间的连接（1）管片与管片之间采用铰连接，管片与管片纵向之间不考虑。（释放掉管片与管片连接处的转动自由度）（2）管片与管片之间采用弱化单元连接。（考虑管片与管片之间的弯矩传递）（3）管片与管片之间采用弹簧连接。MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.46MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.47MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.48MIDAS/GTSTrainingCourseMIDASITCo.,Ltd.49结