midasNX直径线预埋段二次衬砌施工阶段力学分析实例

1. 总体概况

为了确保直径线预埋段二次衬砌施工的安全性，对预埋段的三个典型区段的支撑拆除进行了施工力学分析。计算的主要目的是分析支撑拆除过程中边桩和未拆除的支撑（柱）的稳定性，以确保施工过程中的安全。 1.1 工程概况

预埋段已经预埋了桩和盖板，桩的直径有80cm和100cm两种，桩长15.5米～22.8米；盖板的厚度为60cm；预埋结构净宽度为10.73～11.15m。

目前上台阶已经施工完毕，下台阶在施工中。下台阶施工完毕就进入拆除支撑、施做二衬的阶段。拟用跳格拆除支撑、施做二衬，每段为6m左右。

每一段的具体施工步骤为：

1）拆除该段的临时柱或临时竖向支撑；2）施工该段的仰拱；3）拆除该段的水平支撑；4）施工边墙和顶板。 1.2 水文地质情况

本段土质以填筑土、黏性土、砂类土及圆砾土为主。在本工程段，地下水类型为孔隙潜水，地下水位标高约为28.4米，水位在结构以下。各个土层参数如表1所示。

土层参数表 表1 土层 土1 土2 土3 土4 土5 1.3典型分析区段

根据隧道埋深不同，有不同的支撑形式，本报告对三个典型区段进行分析，以分析不同部位区段的安全性。 1、DK7+400～DK7+458段 本区段断面形式如图1 所示。

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E(MPa) 8 10 12 15 60 v 0.32 0.30 0.28 0.27 0.25 C (MPa) 0.01 0.025 0.03 0.03 0.0035  12 20 20 24 36 容重(kN/m3) 17 19 20 20 21.5 左线中线轨面右线中线钻孔桩?

图1 DK7+400～DK7+458典型断面图

该段的覆土厚度约为6 m，桩直径1000mm，间距1500mm，长度17.5m；竖撑为直径609mm，厚度12mm，间距3m的钢管；横撑为2根焊在一起，间距为0.5m的25a工字钢。 2、DK7+504.5～DK7+590段

本区段断面形式如图2 所示。

左线中线轨面右线中线钻孔桩?

图2 DK7+504.5～DK7+590典型断面图

该段的覆土厚度约为4 m，桩直径1000mm，间距1500mm，长度17.5m和20.8m交错布置；竖撑为直径300mm，厚度14mm，间距4m的钢管；横撑为2根焊在一起，间距为2m的25a工字钢。

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3、DK7+590～DK7+668.8段

本区段断面形式如图3 所示。

左线中线轨面右线中线钻孔桩?

图3 DK7+590～DK7+668.8典型断面图

该段的覆土厚度约为2 m；桩直径800mm，长度16.5m；竖撑为2根焊在一起，间距为6m的25a工字钢；横撑为2根焊在一起，间距为3m的25a工字钢。 2 计算模拟分析

对于本工程的来说，同样支撑条件下，最危险的部位在埋深较大的区段；最危险的施工阶段为跳格开挖的第一个6m的区段。考虑20KN/m2的地面超载。

可能发生的安全性问题主要有：边桩的承载力失效；边桩的侧向位移过大；未拆除的临时支撑稳定失效；地层及地表变形过大；盖板强度失效。

根据本工程的特点，为考虑空间效应，拟采用三维有限元进行分析。采用韩国MIDAS的GTS软件进行分析，该软件很好的考虑了施工中的各个要素。对可能发生危险的部位给出各个阶段的力学分析报告。盖板的力学分析采用结构力学方法单独分析。

2.1 DK7+400～DK7+458段分析 1、计算模型

模型的总体尺寸为 X*Y*Z = 50m×18m×30m（X、Y、Z方向如图4（1）所示），模型示意图如图4（1）所示，图中不同的颜色代表不同的地层；边桩和临时支撑、顶板的示意图如图4（2）所示。

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ZYOX

图4（1）计算模型图

盖板 横撑 边桩 边墙 临时柱

图4（2）临时结构计算模型图

2、地层及地表变形

根据实际施工步骤，按照四步进行施工。典型分析阶段的地层和地表变形如表2所示。

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各个施工阶段地层变形表 表2

阶段 第一步：拆除6m内的竖撑 位移（DZ） 第二步：施做仰拱 第三步：拆除6m内的横撑 5

第四步，施做边墙和顶板 从表2中可以看出跳格法施工6m内边墙和顶板施工完毕后地表沉降为12mm。因为边墙的刚度比临时竖撑大，因此施工完毕后地表沉降会低于24mm。 3、边桩的侧移

边桩的侧移在第四步最大，如图5所示。

图5 桩的侧移

由图5可以看出，施工过程中边桩的侧移很小，最大只有3mm。 4、边桩和临时竖撑的受力

边桩和临时竖撑的最大轴力和弯矩发生在第四步，如图6（1）和（2）所示。

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边桩 竖撑

图6（1） 边桩和支撑的轴力

图6（2） 边桩和支撑的弯矩

由图6（1）可以看出跳格法施工第一个6m段后，旁边6m内竖撑的最大轴力为1942KN。该段竖撑为直径609mm、厚度12mm的钢管。该钢管的安全性由稳定性控制。最大弯矩为1660KN.m，发生在桩顶。采用同济启明星的工程e得到计算表如表3所示：

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竖撑稳定性计算表 表3

压力 截面特性 长度 8.1m 稳定应力 91.3MPa 安全系数 3.61 1942KN 直径609，壁厚12钢管 边桩承受的最大轴力为1534KN。根据该段的地层条件，采用同济启明星的工程e得到单桩的极限承载力为2057.7KN。由同济启明星的工程e得到桩承载力安全系数（国标GB50007-2002）如表4所示。

单桩承载力计算表 表4

压力 1534KN

2.2 DK7+504.5～DK7+590段分析 1、计算模型

模型的总体尺寸为 X*Y*Z = 50m×24m×28m（X、Y、Z方向如图7（1）所示），模型示意图如图7（1）所示，图中不同的颜色代表不同的地层；边桩和临时支撑、顶板的示意图如图7（2）所示。

截面特性 直径1000mm桩 长度 9m 极限承载力 2057.7KN 安全系数 1.34 ZYOX

图7（1）计算模型图

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盖板 边桩 横撑 临时柱

图7（2）临时结构计算模型图

2、地层及地表变形

根据实际施工步骤，按照四步进行施工。典型分析阶段的地层和地表变形如表5所示。

各个施工阶段地层变形表 表5

阶段 第一步：拆除6m内的竖撑 位移（DZ） 9

第二步：施做仰拱 第三步：拆除6m内的横撑 第四步，施做边墙和顶板 从表2中可以看出跳格法施工6m内边墙和顶板施工完毕后地表沉降为10mm。因为边墙的刚度比临时竖撑大，因此施工完毕后地表沉降会低于20mm。 3、边桩的侧移

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边桩的侧移在第四步最大，如图8所示。

图8 桩的侧移

由图5可以看出，施工过程中边桩的侧移很小，最大只有2mm。 4、边桩和临时竖撑的受力

边桩和临时竖撑的最大轴力和弯矩发生在第四步，如图9（1）、（2）所示。

竖撑 边桩

图9（1） 边桩和支撑的轴力

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图9（2） 边桩和支撑的弯矩

由图6可以看出跳格法施工第一个6m段后，旁边6m内竖撑的最大轴力为1994KN。该段竖撑为直径300mm、厚度14mm的钢管。该钢管的安全性由稳定性控制。由图9（2）可以看出，最大弯矩发生在桩顶，为1542KN.m。采用同济启明星的工程e得到计算表如表6所示：

竖撑稳定性计算表 表6

压力 截面特性 长度 8.1m 稳定应力 202.5MPa 安全系数 1.63 1994KN 直径300，壁厚14钢管 边桩承受的最大轴力为1440KN。根据该段的地层条件，采用同济启明星的工程e得到单桩的极限承载力为2057.7KN。由同济启明星的工程e得到桩承载力安全系数（国标GB50007-2002）如表7所示。

单桩承载力计算表 表7

压力 1440KN 截面特性 直径1000mm桩 长度 9m 极限承载力 2057.7KN 安全系数 1.43 2.3 DK7+590～DK7+668.8段分析 1、计算模型

模型的总体尺寸为 X*Y*Z = 50m×18m×26m（X、Y、Z方向如图10（1）所示），模型示意图如图10（1）所示，图中不同的颜色代表不同的地层；边桩和临时支撑、顶板的示意图如图10（2）所示。

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ZYOX

图10（1）计算模型图

盖板 腰梁 边桩 横撑 临时柱

图10（2）临时结构计算模型图

2、地层及地表变形

根据实际施工步骤，按照四步进行施工。典型分析阶段的地层和地表变形如表8所示。

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各个施工阶段地层变形表 表8

阶段 第一步：拆除6m内的竖撑 位移（DZ） 第二步：施做仰拱 第三步：拆除6m内的横撑 14

第四步，施做边墙和顶板 从表2中可以看出跳格法施工6m内边墙和顶板施工完毕后地表沉降为8mm。因为边墙的刚度比临时竖撑大，因此施工完毕后地表沉降会低于16mm。 3、边桩的侧移

边桩的侧移在第四步最大，如图11所示。

图11 桩的侧移

由图5可以看出，施工过程中边桩的侧移很小，最大只有4mm。 4、边桩和临时竖撑的受力

边桩和临时竖撑的最大轴力和弯矩发生在第四步，如图12（1）、（2）所示。

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竖撑 边桩

图12（1） 边桩和支撑的轴力

图12（2） 边桩和支撑的弯矩

由图12（1）可以看出跳格法施工第一个6m段后，旁边6m内竖撑的最大轴力为1287KN。该段竖撑为2根I25a工字钢。该钢管的安全性由稳定性控制。由图12（2）可以看出，最大弯矩发生在桩顶，为1028KN.m。采用同济启明星的工程e得到计算表如表9所示：

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竖撑稳定性计算表 表9

压力 1287KN

边桩承受的最大轴力为1008KN。根据该段的地层条件，采用同济启明星的工程e得到单桩的极限承载力为1520KN。由同济启明星的工程e得到桩承载力安全系数（国标GB50007-2002）如表10所示。

单桩承载力计算表 表10

压力 1008KN

2.4 各段盖板受力分析 1、DK7+400～DK7+458段

该段覆土6m左右。拆除两根竖撑后顶板可以近似看作长度方向11.35m，宽度方向9m的板结构。

该段计算表如表11所示。

盖板内力计算表 表11

板长度(X) 11.35m 板长度(Y) 9.0m 弹性模量 21 MPa x方向的弯矩 613.4kN.m y方向的弯矩 875.3kN.m 截面特性 直径800mm桩 长度 9m 极限承载力 1520KN 安全系数 1.51 截面特性 2根I25a工字钢 长度 8.1m 稳定应力 237.0MPa 安全系数 1.39 采用同济启明星的工程e得到盖板99.97%安全概率的配筋为5651.9mm2，安全配金率为0.98%。盖板的设计能够满足要求。 2、DK7+504.5～DK7+590段

该段覆土4m左右。拆除两根竖撑后顶板可以近似看作长度方向11.35m，宽度方向12m的板结构。

该段计算表如表12所示。

盖板内力计算表 表12

板长度(X) 11.35m 板长度(Y) 12.0m 弹性模量 21 MPa x方向的弯矩 626.8kN.m y方向的弯矩 574.9kN.m 17

采用同济启明星的工程e得到盖板99.97%安全概率的配筋为3921mm2，安全配金率为0.65%。盖板的设计能够满足要求。 3、DK7+590～DK7+668.8段

该段覆土2m左右。拆除两根竖撑后顶板可以近似看作长度方向11.35m，宽度方向12m的板结构。

该段计算表如表13所示。

盖板内力计算表 表13

板长度(X) 11.35m 板长度(Y) 12.0m 弹性模量 21 MPa x方向的弯矩 376.1kN.m y方向的弯矩 344.9kN.m 采用同济启明星的工程e得到盖板99.97%安全概率的配筋为2284mm2，安全配金率为0.41%。盖板的设计能够满足要求。 4 结论

根据以上计算分析可以得出以下结论：

1、施工引起的地表最大可能变形在24mm以内；

2、施工过程中各个区段的支撑均能够满足强度和稳定性要求； 3、施工过程中边桩的承载力和位移在安全范围以内。 4、施工过程中盖板的强度能够满足承载力要求。 综上所述，跳格法（6m）施工二次衬砌是安全的。

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