基于ANSYS的引水隧洞施工盾構結構檢算及優化應用研究

周 山 符 強 黃雪飛

（中國葛洲壩集團 第五工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

盾構法隧道施工是一種先進的隧道施工方法［1］，它具有施工速度快、對周邊環境影響小、能適應復雜地層、工程質量高等優點，越來越受到國內工程界的歡迎.盾構結構設計的好壞直接關系到隧道開挖和砼澆注過程的安全及澆注成型后的隧道能否符合設計要求［2］.因此，盾構本身設計計算對隧道施工而言極為重要.目前盾構結構設計計算大多簡化成一個平面問題來計算，簡化后會出現幾個問題［3］：①不能考慮縱向結構之間的相互影響；②盾構自身的受力支架結構的內部各個桿件的受力情況不明確，需要額外的計算分析；③平面計算適用于簡單的、力傳遞明確的結構.當遇到復雜的、力傳遞情況不明確的結構時，由于上部荷載的分配及受力支架結構之間的相互影響，平面計算結果就不足以真實地反映外護殼、受力支架的受力工況，無法保證施工的安全.鑒于此，本文結合蓮花水庫引水隧洞工程專項方案，設計出滿足強風化花崗巖施工地質條件的盾構法施工的盾構結構，應用ANSYS軟件對其進行了強度、剛度檢算；在此基礎上對盾構結構進行了優化設計.

1 工程概況

蓮花水庫工程主要建筑物由主壩、副壩和灌溉隧洞組成.工程灌溉隧洞位于副壩左岸，全長283.904 m，城門洞型結構，開挖斷面尺寸為2.1m×2.4m，襯砌成型后混凝土過水斷面為1.5m×1.8m，出口段采用Φ800的鋼管和錐閥室連接，整個洞身處在I類圍巖中，隧洞埋深在4～12m之間，整個洞身均處在地下水位以下，洞身段圍巖為二類，巖性是沙性高嶺土和強風化的花崗巖，且大部分處于沙性高嶺土圍巖區內，其中沙性高嶺土圍巖基本特性含水量高，透水性強，自身的穩定性比較差，遇水極易軟化和崩解，成流塑狀.針對特殊的地質條件，本施工結構可用于解決如何在軟巖隧洞掘進時施工的“安全、快捷、經濟”難題.

2 盾構結構檢算

盾構結構外護殼采用15mm的鋼卷板，鋼卷板內側采用槽8型鋼做肋勁，拱頂橫撐采用工10號型鋼，立撐分別采用1根工10型鋼和兩根槽8型鋼組成，具體布置見圖1所示.肋筋橫向連接采用3根間距為35cm槽8型鋼布置，具體布置見圖2所示.

圖1 盾構結構橫斷面圖

圖2 盾構結構縱斷面圖

2.1 有限元分析模型［4］

根據盾構結構設計情況，采用ANSYS分析軟件，建立盾構結構的空間有限元模型.管片結構采用空間殼單元（shell63）模擬，肋筋和其連接桿件均采用空間梁單元（beam44）模擬.單元的每個結點包括3個平動自由度和3個轉動自由度.各構件（肋筋、橫撐桿、立桿以及斜向的連接構件）的截面特性采用讀入截面的形式定義，各型鋼結構基本構件之間的連接按固接處理.

工程主要荷載包括圍巖壓力與穩定滲流情況下的地下水壓力，依據水工隧道設計規范，將以上2種荷載分解為垂直壓力與水平壓力，計算荷載是通過程序設定以面荷載形式直接施加在結構上.殼單元與梁單元（肋筋與立撐結構）之間采用節點自由度耦合的方法連接在一起.盾構結構下端整體按固結處理，即約束結構的6個自由度，依據實際施工中縱伸向兩端各有0.5m分別在襯砌與巖土夾層之間和巖土內部，因此約束模型中相應尺寸內的3個角位移和x、y方向的位移.模型總體空間布置示意圖如圖3所示.

圖3 盾構結構ANSYS空間有限元計算模型

2.2 荷載統計

根據《水工隧道設計規范》［5］可知，驗算盾構結構強度時的荷載組合為：自重＋巖體壓重＋水壓重.

盾構結構自重由程序自動計入；強風化花崗巖容重取1.8t／m3，按松散體結構圍巖類型進行計算分解；水容重取10kN／m3，外水壓力依照規范進行計算；換算得到的垂直面荷載與水平面荷載以上荷載均取1.3倍安全系數.將以上荷載以面荷載形式施加于模型上進行計算.

2.3 結果分析

根據計算得到盾構結構各桿件應力計算結果匯總見表1.

表1 盾構結構各桿件應力最值表 （單位：MPa）

以表1結果可見：盾構結構各桿件最大應力出現在盾構兩邊肋筋所在處，最大壓應力64.9MPa，最大拉應力108MPa，小于Q235構件的容許應力1.3×145＝188.5MPa，其余各桿件的應力值均遠遠小于容許應力，且最大應力僅為容許應力的54.6%，這說明結構強度安全儲備較大，材料強度利用不夠充分，結構布置形式需要改進，結構設計需要優化.

根據計算得到盾構結構卷板應力計算結果匯總見表2.

表2 盾構結構外護殼應力最值表 （單位：MPa）

以表2結果可見：盾構結構外護殼鋼板最大壓應力56.6MPa，最大拉應力74MPa，小于Q235構件的容許應力1.3×145＝188.5MPa，遠遠小于容許應力.鋼板在水平撓度fmax＝0.001 084m＜L／400＝0.008 75m，結構強度安全儲備較大，材料強度利用不夠充分，亦需要對鋼板結構進行優化.

3 盾構結構優化［6］

根據上述預分析結果，盾構結構的設計材料利用不充分，有較大的優化空間，為了節約成本，降低工程造價，需要對盾構結構進行優化設計.

在滿足盾構結構幾何構造、強度、剛度和穩定約束條件下，結合部位的分散性、經濟性、實用性等，按照優化理論，將結構總質量定義為目標函數，桿件的截面尺寸作為設計變量，拉桿的拉應力，壓桿的壓應力，結點最大位移定義為狀態變量，采用ANSYS提供的一階優化方法，通過APDL對盾構結構進行優化.建立按照重量最小優化問題的數學模型為［6］：

式中，W（A）為結構總質量，定義為目標函數；ρ為材料密度；Li為第i桿的長度；A＝為桿件截面面積向量，定義為設計變量；σi1分別為第i1桿件的拉應力和許用拉應力，通過有限分析，分別求出桿件的拉應力，該參數定義為狀態變量；σi2、分別為第i2桿件的壓應力和臨界壓應力，臨界壓應力可根據桿件的截面尺寸（已定義為設計變量）和材料特性求出，壓應力可通過有限分析求出，分別求出桿件的壓應力和臨界壓應力，該參數定義為狀態變量；σj、分別為第j節點的位移和允許位移，節點的位移可通過有限分析求出，該參數定義為狀態變量；、分別為桿件面積Ai的下界與上界，為設計變量的上限和下限；n，n1，n2，m分別為結構的桿件總數，拉桿總數，壓桿總數和節點總數.

此處撤除原設計中受力較小的3根立桿1（工字鋼），其余結構尺寸不變，優化后計算結果見表3～4.

表3 優化后盾構結構各桿件應力最值表（單位：MPa）

表4 優化后盾構結構卷板應力最值表（單位：MPa）

優化結果為將原設計中中間三根工字鋼立桿去除，肋筋使用材料沒有發生變化，結構材料優化結果見表5.通過優化計算，盾構結構優化后節省鋼材0.677t，所節約的鋼材為原設計的22.35%.從表4～5可見：優化后盾構結構鋼板及各桿件的強度滿足規范要求，且各結構受力有所增大，結構整體受力合理.優化后支架水平撓度fmax＝0.001 977m＜0.008 75 m，因此剛度亦滿足要求，優化結果可靠，達到了預期的優化目的.

表5 優化前后所使用材料情況

4 結 論

1）采用ANSYS軟件，根據盾構實際設計情況，建立該結構的空間分析有限元計算模型，較之平面分析計算模型，能夠更有效的反映結構各部分的實際受力情況.

2）利用ANSYS軟件的優化功能對盾構結構進行優化設計，充分考慮各桿件的受力工況，結構桿件的設計更趨于合理，有效的降低了工程造價.

［1］ 廖少明，侯學淵.軟土盾構法隧道設計與施工的最新研究進展［J］.地下空間，1998，18：17－19.

［2］ 岳小麗，何亞伯.隧道盾構法施工的成本分析與降低成本措施［J］.現代隧道技術，2008，45（2）：36－40.

［3］ 符 強，李延強.ANSYS在貝雷梁施工支架檢算及變形量預測中的應用研究［J］.鐵道建筑，2012（6）：30－34.

［4］ 王新敏.ANSYS工程結構數據分析［M］.北京：人民交通出版社，2007：10.

［5］ SL279－2002.水工隧道設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［6］ 嚴 云.基于ansys參數化設計語言的結構優化設計［J］.華東交通大學學報，2004，21（4）：52－54.