下载文档原格式
公路隧道开挖对既有铁路隧道的影响研究发布时间：2021-05-17T16:12:31.900Z 来源：《科学与技术》2021年4期作者：袁郑棋，林海洋[导读] 以工程实际为例，应用MIDAS-GTS软件进行三维有限元数值模拟袁郑棋，林海洋( 温州市交通规划设计研究院，浙江温州 325000 ) 摘要：以工程实际为例，应用MIDAS-GTS软件进行三维有限元数值模拟，分析了新建公路隧道开挖对既有铁路隧道位移、衬砌结构内力的影响，得出新建公路隧道开挖对一定距离范围外既有隧道的影响结论，为类似工程提供借鉴。
关键字：新建隧道；既有隧道；数值模拟；变形、内力0.引言随着我国交通事业的高速发展，公路、铁路的建设不断增多，由于地形地质的影响，较好的路线走廊带也越来越少，多条路线共用同一条走廊带的情况不断出现。
在实际工程实施过程中，经常会遇到新建公路隧道临近原有铁路隧道的情况，这些新旧工程之间的距离较小，新公路隧道的修建必定会对既有隧道产生不利影响，所以在新建项目方案设计阶段，就要结合路线方案充分考虑施工期及运营期对既有隧道的影响，确保新建公路隧道和既有隧道的结构安全，因此分析既有铁路隧道在临近新建公路隧道开挖后结构的内力和位移是必要的，本文依托永嘉水门路项目，从静力学角度研究了公路隧道开挖对既有铁路隧道的影响。
1.工程实例永嘉水门路项目采用一级公路标准，设计速度为80km/h，整体式路基宽24.5m，分离式路基宽12.25m；设分离式小净距隧道1座499m （隧道宽10.25m）。
既有铁路隧道Ⅲ级围岩段隧道采用曲墙加底板的衬砌结构形式，Ⅳ~Ⅴ级围岩采用曲墙带仰拱的衬砌结构形式。
洞口段、浅埋偏压、断层破碎带、岩性接触带、节理密集带等地段进行结构加强。
水门路新建公路隧道右洞与乐清湾铁路新村隧道水平距离最近，最小距离48m。
2.有限元分析2.1模型建立新建公路隧道与既有隧道位置关系呈现一定的空间关系，现利用MIDAS-GTS软件建立三维有限元数值模型。
1引言随着高速铁路路网的逐步完善及城市化进程的迅猛发展,城市基础设施建设不可避免会与铁路路网建设存在交叉。
目前,大城市的地铁运营里程在迅速增长,为避免与高速铁路产生较大干扰,一般尽可能使地铁从高速铁路桥梁下穿。
因为下穿高速铁路的项目日益增多,高速铁路的安全运营要求较高,下穿高速铁路风险较大[1-4],为此,国家铁路局发布了相关规程来规范下穿高速铁路工程的设计与施工[5]。
本文基于福州市某条地铁区间隧道下穿高速铁路桥梁的工程实例,根据现场实际,提出相应防治对策,并通过Midas GTS 建模计算分析其对高速铁路桥梁的影响,为今后类似项目提供参考。
2工程概况及地质条件区间隧道为单线单洞盾构区间,盾构上方布置供地铁使用的110kV 电力管线。
区间隧道左右线及电力管线下穿福平铁路闽江特大桥9#、10#桥墩。
下穿处区间隧道左线与铁路桥夹角74°;右线与铁路桥夹角73°。
下穿处桥梁孔跨为68m+128m+68m 连续梁主跨,基础为12根准2.5m 钻孔灌注桩。
福平铁路闽江特大桥9#、10#桥墩承台尺寸均为19.90m ×14.6m ×5.0m (长×宽×高)。
区间隧道埋深约9.9m ,左线隧道距离桥墩(9#)承台边缘最近距离为5.64m ,右线隧道距离桥墩(10#)承台最近距离为62.8m 。
区间隧道、保护涵下穿铁路平面关系如图1所示。
区间隧道横断面如图2所示。
电力管线采用1-1.6×1.9m 钢筋混凝土保护涵下穿铁路桥,交角59°。
保护涵横断面如图3所示。
保护涵距离9#墩承台最小水平距离为17.23m ,距离10#墩承台最小水平距离为69.74m 。
下穿处桥下净空约33m 。
涉铁段区间隧道段主要穿越杂填土、淤泥、粉质黏土、中风化花岗岩、微风化花岗岩。
【作者简介】王佩新(1990~),男,福建南安人,工程师,从事桥梁与隧道工程设计与研究。
1引言伴随着城市经济的快速发展和人口的增长,城市地下空间的开发也迎来井喷时代,基坑工程作为主要的开发手段,其降水、开挖卸载会使得周边岩土体移位,引发紧邻的既有地铁隧道位移场和应力场随之变化,由于地铁盾构隧道变形敏感、变形控制值严苛,一旦超标可能影响行车安全,甚至产生安全事故和社会负面影响,为确保地铁隧道的安全性,研究基坑施工全程对既有隧道的三维变形影响至关重要。
深基坑开挖对地下隧道的影响研究是一个非常重要的课题,各科研、设计和施工人员开展了相关研究。
赵刚[1]详细分析了基坑不同施工阶段对临近地铁隧道的变形规律;Zheng 等[2]采用二维有限元方法,得出基坑不同位置开挖引起下方3个隧道位移场变化的区别与不同;蒋利明[3]采用理数值计算方法,得出基坑开挖引起周围土体和地铁隧道变形以竖向和水平位移为主。
本文结合沈阳某深基坑工程支护设计、施工开挖工序与相关水文地质,采用Midas GTS 三维有限元分析模型与现场地铁保护监测相结合手段,研究砂土地层基坑开挖全过程对侧方地铁盾构隧道的变形影响,可为类似工程提供借鉴。
【作者简介】朱茂国（1986~），男，江苏徐州人，高级工程师，从事城市地铁测量、监测及管理研究。
砂土地层深基坑施工对侧方地铁隧道形变影响研究Study on the Influence of Deep Foundation Pit Constructionon Lateral Subway Tunnel朱茂国（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308）ZHU Mao-guo（China Railway Sixth Survey and Design Institute Group Co.Ltd.,Tianjin 300308,China)【摘要】以沈阳市某工程为背景，采用有限元软件Midas GTS 建立三维有限元分析模型，对基坑开挖引起侧方地铁盾构隧道三维变形进行数值分析，并将隧道模拟结果与实测变形值进行比较。
岩土有限元分析软件MIDAS/GTSMIDAS Information Technology Co., Ltd.(简称MIDAS IT)正式成立于2000年9月1日。
1989年由韩国浦项集团成立的CAD/CAE研发机构开始开发MIDAS软件以来，MIDAS IT在不断追求完美的企业宗旨下获得了飞速发展。
目前在韩国结构软件市场中，MIDAS Family Program的市场占有率排第一位，在用户最满意的产品中也始终排在第一位。
MIDAS/GTS作为MIDAS IT公司的主打产品之一，主要针对岩土隧道领域的结构分析所需要的功能直接开发的程序，通过了国际ISO9001品质管理认证及韩国隧道工学会等专业机构的认证。
MIDAS/GTS软件特点如下：一、快速直观的三维建模一直以来，三维建模快速直观作为MIDAS系列软件的优点受到用户的好评。
在三维有限元前处理软件MIDAS/FX+的基础上产生的MIDAS/GTS继承了这一特点，使用户能够快速、准确的建立更加直观的三维模型。
下面列举一些GTS中的一些建模特点：1．1中文化的操作界面进入国内市场以来，中文化的操作界面使MIDAS系列软件迅速被用户所熟悉和热爱。
在MIDAS/GTS中，中文化的操作界面（如图1）也同样使用户更加快速的熟悉软件，将其快速地应用到实际工作中。
图1 完全中文化的操作界面岩土与隧道专业有限元软件GTS21．2面向任务的用户界面通过面向任务的用户界面，为用户提供文字性的操作说明，更加便利的进行模型建立。
如图2所示：当用户建立圆弧时，对话框会首先提示用户“输入中心位置”，接下来会提示“输入开始位置”“输入结束位置”，这样通过面向任务的用户界面，引导用户进行圆弧建立。
图2 面向任务的用户界面1．3快速的几何建模方式MIDAS/GTS 几何完全融合了CAD 的建模方式，方便用户快速建立相应的模型。
1．4模拟真实地形的地形生成器（见图3）在GTS 中，能够通过导入三维的地形图，直接生成三维模型，即能够减少建模时间，增加工作效率；又能够准确模拟的地形分布。
数值模拟软件大全GEO-SLOPE Offical WebSite: www. geo-slope. comSLOPE/W: 专业的边坡稳定性分析软件, 全球岩土工程界首选的稳定性分析软件SEEP/W: 专业的地下渗流分析软件, 第一款全面处理非饱和土体渗流问题的商业化软件SIGMA/W: 专业的岩土工程应力应变分析软件, 完全基于土(岩)体本构关系建立的专业有限元软件QUAKE/W: 专业的地震应力应变分析软件, 线性、非线性土体的水平向与竖向耦合动态响应分析软件TEMP/W: 专业的温度场改变分析软件, 首款最具权威、涵盖范围广泛的地热分析软件CTRAN/W: 专业的污染物扩散过程分析软件, 超值实用、最具性价比的地下水环境土工软件AIR/W:专业的空气流动分析软件, 首款处理地下水-空气-热相互作用的专业岩土软件VADOSE/W: 专业的模拟环境变化、蒸发、地表水、渗流及地下水对某个区或对象的影响分析软件, 设计理论相当完善和全面的环境土工设计软件Seep3D(三维渗流分析软件)是GeoStudio2007专门针对工程结构中的真实三维渗流问题, 而开发的一个专业软件, Seep3D软件将强大的交互式三维设计引入饱和、非饱和地下水的建模中, 使用户可以迅速分析各种各样的地下水渗流问题.特点:GeoStudio其实就是从鼎鼎大名的GEO-SLOPE发展起来的, 以边坡分析出名, 扩展到整个岩土工程范围, 基于. NET平台开发的新一代岩土工程仿真分析软件, 尤其是VADOSE/W模块是极具前瞻性的, 环境岩土工程分析的利器. 遗憾的是其模块几乎都只提供平面分析功能.Rocscience Offical WebSite: www. rocscience. comRocscience 软件的二维和三维分析主要应用在岩土工程和采矿领域, 该软件使岩土工程师可以对岩质和土质的地表和地下结构进行快速、准确地分析, 提高了工程的安全性并减少设计成本. Rocscience 软件对于岩土工程分析和设计都很方便, 可以帮助工程师们得到快速、正确的解答. Rocscience 软件对于用户最新的项目都有高效的解算结果, 软件操作界面是基于WINDOWS 系统的交互式界面. Rocscience 软件自带了基于CAD 的绘图操作界面, 可以随意输入多种格式的数据进行建模, 用户可以快速定义模型的材料属性、边界条件等, 进行计算得到自己期望的结果.Rocscience 软件包括以下十三种专业分析模块:Slide 二维边坡稳定分析模块Phase 2D 开挖和边坡有限元分析模块Dips 地质数据的几何学和统计学分析模块Examine 3D 三维地下开挖应力分析模块Swedge 三维边坡面土楔分析模块Unwedge 地表以下土楔稳定性分析模块RocData 岩石、土和不连续体强度分析模块RocSupport 岩石支护分析模块RocPlane 岩质边坡平面滑移稳定性分析模块RocFall 落石的统计分析模块Settle3D 三维固结沉降分析软件Examine TAB 片状矿体三维应力分析模块CPillar 顶梁稳定性分析模块特点:Rocscience与大名鼎鼎的E. Hoek教授密切相关, 在官网上可以下载其著作和相关论文. 该系列软件比较有特色的是涵盖了整个岩石工程范围, 做得比较好的软件有dips、slide和phase, dips在我国的地质行业已经用得很多了, phase做平面有限元分析是相当不错的, 软件只有60多Mb, 可以在电驴上down 到, 遗憾的是只能进行平面分析.MIDAS Offical WebSite: http://cn. midasuser. com/MIDAS Information Technology Co. , Ltd. (简称MIDASIT)正式成立于2000年9月1日. 1989年由韩国浦项集团成立的CAD/CAE研发机构, 开始开发MIDAS软件, MIDAS IT在不断追求完美的企业宗旨下获得了飞速发展. 目前在韩国结构软件市场中, MIDAS Family Program的市场占有率排第一位, 在用户最满意的产品中也始终排在第一位. 主要模块如下:建筑结构通用分析与设计系统: MIDAS/Gen桥梁工程通用分析及设计系统: MIDAS/Civil楼板与筏式基础分析与设计系统: MIDAS/SDS有限元网格划分与建模系统: MIDAS/FX+隧道工程通用分析及设计系统: MIDAS/GTS特点:韩流来了, 有势不可挡的趋势, 发迹于桥梁模块Civil, 几乎占领了国内桥梁设计的市场, 令同济的“桥梁博士”软件渐渐淡出. 近年来, 大举向隧道市场进发, 让日本软脑株式会社的2D-σ, 3D-σ丧失了已有的光芒. GTS基于有限元法, 可以进行三维的隧道设计分析, 提供全中文的操作界面, 优势明显, 并且提供强度折减法计算边坡稳定性.Plaxis Offical WebSite: www. plaxis. nl/Plaxis由著名的荷兰Delft技术大学研制, 多位国际知名的学者参与开发, 其中包括清华大学宋二祥教授. 拥有全球超过6000位以上正版用户, 计算结果得到广泛的认可,采用了高级的土体本构模型, 以模拟土体的非线性和时间相关型和各向异性, 采用了独特的方法计算静水孔隙压力和超静水孔隙压力, 因此可以用于分析非饱和土渗流问题, 采用了独特的方法用于土－结构相互作用问题的分析, 程序界面友好, 可以使用户可在很短的时间内成为有限元分析的行家里手中利器. 主要模块如下:平面有限元分析程序Plaxis三维隧道分析程序Plaxis 3D-Tunnel三维基础工程分析程序Plaxis 3D-Foundation动力分析模块Plaxis Dynamic渗流模块PlaxFlow特点:plaxis系列软件在全球都很出名, 尤其是在东南亚的设计市场享有盛誉. 以其操作简单, 计算快捷实用, 广为设计人员喜爱. 8. 0以后的产品推出了中文操作界面和手册. plaxis在土方面的分析功能比较突出, 操作起来也很方便, 学习门槛较低, 是一门难得的入门级土工有限元分析软件.Z_Soil. PC Offical WebSite: www. zace. comZ_Soil. PC由瑞士Zace Services Ltd从1984年开始研制. Z_Soil.PC 是迄今为止功能最为强大的岩土工程有限元计算程序之一, 能够分析几乎所有的岩土工程问题, 还是全球第一款完全整合的岩土有限元分析软件, 使用统一的方法进行稳定性、固结、渗流、蠕变、开挖和土－结构共同作用等不同的岩土问题, 完全模拟岩土工程中的自然过程, 而不需要将软件分割成为各个功能单一的计算模块, 还能够进行结构工程(房屋、桥梁等)的有限元仿真计算, 所以特别适于解决土-结构共同作用问题；即使单独用于解决结构工程问题, 相比于专业的结构仿真分析软件也毫不逊色.特点:Z_Soil. PC近年来进入中国市场, 以土方面的三维分析出名, 具体情况还是雾里看花, 感兴趣的可以上官网下载DEMO程序玩玩.ITASCA Offical WebSite: http://www. itasca. cn/www. itasca. comP. A. Cundall教授作为离散元法的奠基人, 成立了HCItasca集团, 开发了世界上使用范围最广、应用最普遍的岩土工程专业软件, 这些程序的共同特点如下:针对岩土体问题开发、但不限于岩土体问题, 可以解决大变形、甚至几何形态破坏问题, 可以追踪记录破坏过程, 多种岩土本构地质结构面模拟, 真时间历程动力模拟, 地下水模拟, 内置外接程序语言满足用户特定要求.主要模块如下:FLAC2D/FLAC3D 岩土体工程高级连续介质力学分析软件UDEC/3DEC 高级非连续力学分析软件PFC2D/PFC3D 为类岩土材料和粒状系统设计的2D/3D微观力学离散元分析软件特点:ITASCA家族大有岩土分析王者, 舍我其谁的气势. 可以说, 它是完全为岩土量身定做的软件. ITASCA的产品中最广为人知的便是FLAC, 我校的最早版本是由罗济章教授带回的FLAC 2. 0, 罗教授的手写翻译稿(手册)是FLAC入门的难得教材. 目前关于FLAC的中文资料很少, 就一本红皮的刘波, (美)韩彦辉编著的《FLAC原理、实例与应用指南》和机械工业出版社的《FLAC3D实用教程》, 前者实际上就是手册的翻译, 而且还有错, 后者没有看过. 总的来说, FLAC的功能是强大, 但是FLAC2D和3D的命令有差异, 学习起来是个障碍, 几何建模也很困难, 另外, 近年来有学者专门对FLAC方法本身进行了探讨(详见刘建华, 朱维申的文章), 其计算误差值得关注；关于UDEC, 是离散元法商业化最成功的软件；关于PFC, 是一款颗粒流软件, 计算的范围还无法达到工程范围, 仅仅在试件的破坏分析上有突出的功能, 依赖于计算机硬件技术的发展(涉及的单元数目太多, 类似与RFPA, 但数值方法不一样)./li100100100/blog/item/aacb0adc32dfa63f5882ddf4.ht ml。
南京某地铁隧道结构抗震性能分析
毛陈云;顾琳琳;张于晔
【期刊名称】《浙江建筑》
【年(卷),期】2022(39)5
【摘要】以南京某地铁隧道为实际工程案例,根据反应位移法及时程分析法计算原理,依次对地铁隧道结构进行静力、动力特性研究。
运用MIDAS GTS有限元软件,建立地铁隧道二维模型,模拟在不同地震波作用下,地铁隧道关键节点部位的应力分布及变形情况,从而确定薄弱位置。
通过比对结构静力、动力特性研究计算结果,表明静力分析所得管片结构内力数值相对于另外两种分析方法偏大,同时论证了地铁隧道结构位移值及管片配筋均符合南京区域地震抗震要求。
【总页数】5页(P36-40)
【作者】毛陈云;顾琳琳;张于晔
【作者单位】南京理工大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU352
【相关文献】
1.长春强风化泥岩中某地铁区间隧道抗震性能分析
2.南京地铁4号线某砂性地层隧道抗震设计分析
3.地铁地下结构荷载—结构模型反应谱法抗震性能分析
4.某地铁运行库上盖高层结构的厚板转换层抗震性能分析
5.基于不同计算方法的地铁车站结构抗震性能分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
有关midasGTSNX软件的介绍midas GTS是北京迈达斯技术有限公司研发的岩土用软件,具有迈达斯软件专有优势：汉化界面、交互式操作、强大的可视化。
1 midas GTS背景介绍midas GTS是北京迈达斯技术有限公司研发的岩土用软件，具有迈达斯软件专有优势：汉化界面、交互式操作、强大的可视化。
迈达斯技术有限公司由韩国浦项制铁发展而成的土木工程计算分析软件开发公司，具有独立的研发团队，并在中国、美国、日本、英国、印度、俄罗斯、新加坡等国家成立分公司。
北京迈达斯技术有限公司拥有一批国内研发团队，对软件再次“加工”，让midas 系列软件更加适合中国用户。
此外，北京迈达斯技术有限公司全面负责产品的销售与技术支持。
2 midas GTS功能介绍midas GTS是为能够迅速完成对岩土及隧道结构的分析与设计而开发的“岩土隧道结构专用有限元分析软件”，是一款采用windows风格操作界面的完全中文化软件，能够提供完全的三维动态模拟功能。
程序提供应力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、边坡稳定分析、衬砌分析和设计功能，并提供莫尔库伦、修正莫尔库伦、邓肯-张、修正剑桥等14种本构及用户自定义本构模型；程序还提供便捷的几何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、锚杆建模助手以及丰富的后处理结果；可以广泛应用于地下结构、岩土、水工、地质、矿山、隧道等方面的分析及科研。
自2022年在中国发布至今，在广大用户的信任和支持下，已经走过了九个年头，成为了岩土行业主流的分析与设计软件。
随着行业的发展，GTS也面临新技术的发展及完善，因此在2022年推出midas GTS NX（New Experience），分别在前处理、后处理及计算阶段进行了功能的改善，此外新增加了新的分析功能，具体见下表.GTS NX功能一览表midas GTS是北京迈达斯技术有限公司研发的岩土用软件,具有迈达斯软件专有优势：汉化界面、交互式操作、强大的可视化。
某桥梁桩基施工对高铁隧道影响分析摘要：近些年来，结合各自施工工程项目，有大量科研工作者和设计人员对桩基施工对周边结构物的扰动做了大量研究：采用GTS值方法，对钻孔灌注桩对临近桩基的影响进行了数值模拟；采用PLAXIS对冲孔桩施工对桥梁桩基的动力影响进行了分析；通过按照弹性地基梁理论，推导了盾构施工过程中土体对现状构筑物的内力和挠曲影响的计算公式；等针对隧道施工对既有桩基的影响，进行了三维有限元数值模拟。
目前关于桩基施工对高铁隧道的影响还不多见本文结合工程实例，通过三维有限元软件MIDAS GTS对桩基进行数值模拟，研究分析了桩基施工各个阶段对高铁隧道的影响，可用于工程施工参考。
关键词：桥梁桩基；高铁隧道1 工程概况某工程新建桥梁位置受限，需要在高速铁路隧道两边设置桩基，桩基最近距离隧道结构边线最近处约7.8 m。
新建桥梁桩基采用钻孔灌注桩，桩径2 m，按照嵌岩桩设计，桩长80 m，其中14号墩桥梁桩基距离隧道结构边线最近约7.8 m，隧道为单洞隧道，埋深约15 m，隧道直径约14 m。
桥梁桩基在施工时对既有隧道有一定影响，应对桩基施工周边的土体和隧道的变形和受力变化进行分析，评估施工过程对既有隧道的影响。
2 计算建模2.1 整体模型采用MIDAS GTS建立桩基和隧道三维有限元模型。
根据圣维南原理，建模时选取足够大尺寸的模型，模型尺寸为长（Y）×宽（X）×高（Z)=240 m×180 m×120 m，共有258 373个单元，45 055个节点。
模型中，隧道采用2D壳单元，土层和桩体采用3D实体单元，土体采用Drucker-Prager屈服准则，桥桩采用线弹性本构模型。
2.2 计算参数选取边界条件：模型采用位移边界条件，底面为固定约束，侧面为法向约束。
土体由上至下共分为5层，最下面一层为岩层，每层参数按照勘察报告中选取，见表1、表2。
表1 土体参数表表2 钢筋混凝土结构参数2.3 计算工况为了模拟桩基施工对高铁隧道的影响，本次计算选取如下2个工况进行分析：工况1：桩基成孔过程中；工况2：桥梁运营后。
midas GTS简介一．midas GTSmidas GTS（Geotechnical and Tunnel analysis System）是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机地结合而开发的岩土与隧道结构有限元分析软件。
二．特点1)岩土专业分析与设计软件：全面的岩土领域分析功能，既提供二维的也提供三维的岩土分析功能；2)高效的前处理：中文界面、CAD风格几何建模、丰富多样网格划分、内置各种建模助手（隧道、锚杆、施工阶段等建模助手）；3)专业的单元库和本构模型：15种本构模型和用户自定义本构模型；4)完美的后处理：组合包络结果；等值线、矢量、剖断面输出云图；动画、表格、计算书等等.三．适用范围•岩土工程施工阶段模拟•复杂的地层和地形、地下结构开挖和临时结构的架设与拆除•基坑、矿山巷道、井建的开挖、支护•隧道口、T型/Y型连接部、陡坡、竖井或横向通道与主隧道的连接等•渗流分析•隧道、大坝、边坡的稳态/非稳态渗流分析•将达西定律的应用从饱和区域扩展到非饱和区域•在Van Genuchten和Gardner’s公式中可自定义其非饱和特性函数•应力渗流耦合分析•固结分析•排水（非粘性土）分析与非排水（粘性土）分析•各阶段的孔隙水压和固结沉降结果•边坡稳定分析•强度折减法•极限平衡法•动力分析•地震、爆破等任意荷载的动力分析•振型分析、反应谱分析、时程分析•内含地震波数据库、自动生成地震波、与静力分析结果的组合功能•衬砌、锚杆的结构分析与设计•荷载-结构模式的二衬的内力、应力、变形计算与设计•锚杆单元的内力、应力、变形计算与设计。
