卢萨斯（杭州）科技有限公司-Söderström隧道连接

l 混凝土隧道接头和围岩的详细实体锚索模型

l 对接触评估的非线性分析

l 证明了连接器在所有考虑的荷载条件下的稳定性

ELU 咨询公司参与了斯德哥尔摩的各种城市线路项目，作为ELU-Golder HB 合作伙伴之一，它代表其客户 Banverket为Söderström隧道提供技术支持和合同文件审查。ELU使用LUSAS Civil & Structural对Söder Mälarstrand上的一个隧道连接方案进行了有限元分析。研究了混凝土隧道和岩石之间的荷载传递机制，以确定由于浸没混凝土隧道的永久、可变和意外荷载，连接处、锚索和岩石本身的应力和力的大小。

概述

案例学习

Söderström 的隧道连接

斯德哥尔摩城市铁路是一条6公里长的通勤列车隧道，位于斯德哥尔摩市中心下方，在Odenplan和T-Centralen新建了两个新车站。该线路由瑞典交通管理局与斯德哥尔摩市、斯德哥尔摩郡议会和斯德哥尔摩运输公司密切合作建造的。2017年完工后，这条新线路将使通过斯德哥尔摩中心的铁路运输能力翻一番。

该城市线主要通过岩石，但是在Riddarholmen和Söder Mälarstrand之间需要通过一段Söderström的水域，它穿过一条浸没式混凝土隧道，该隧道由三个预制隧道构件建造，每个大约20米宽，10米高。构件可以被分为两部分，一个有12m宽，包含两个轨道，另外一个有五米宽是用于服务和救援目的。这个隧道由沿线的三个桩组和一个建立在基岩上的沉箱支撑。混凝土连接器在隧道的两端保证隧道连接在岩体上，就算在北侧有这一定的位移。隧道两端的混凝土连接器将其固定在岩体上，并考虑在北端的移动。

隧道连接器

平面图

立面图

初步拟定的南部连接示意图

在南端的钢筋混凝土隧道接头延伸到山区隧道约20米，并形成一个锥形根部。岩石锚栓从连接器的根部向后延伸了至少20米，在一个连接器的外端向隧道墙横向延伸至少10米，该岩石锚栓被用来连接连接器和岩体，并限制其承受任何额外施加的荷载。在连接点之间，索可以自由移动而不向岩石传递力。

需要使用LUSAS评估各种荷载组合。这些包括围岩的荷载、自重、水压力和支座位移组成的永久作用。可变荷载包括交通荷载、水位变化和温度变化。意外行为考虑了各种潜在的船舶撞击和基岩的大规模移动

LUSAS分析中的岩石和隧道连接器

隧道接头模型显示接触区域(绿色)和纵向和横向锚固的位置

建模

一个代表长70m宽80m高50m的岩石和隧道的CAD几何模型，在定义材料特性、支承、各种需要被评估的荷载情况之前，直接被导入到LUSAS中。岩石和混凝土隧道的连接器用一个20个节点的体积单元。纵向和横向的锚索用杆单元。节理单元模拟了岩石和隧道之间的接触，用来考虑两者之间的摩擦力。为验证所建模型，将混凝土隧道与岩石接触面的摩擦系数设为零，只考虑施加锚固索张力的单载荷情况。由此，可以评估锚固点周围岩石的初始应力，以及混凝土和岩石斜面中的应力传递和应力水平。由于模型中使用的界面，必须进行非线性分析。

纵向钢索的岩石应力分布

在横向岩石锚固后1m、3m和4.5m处的岩石应力

偶然荷载

对于所考虑的一些偶然载荷情况，使用不同的混凝土隧道和岩石表面之间的摩擦系数来评估结果的影响。主隧道的水平或垂直位移都对连接器产生扭矩，这两个位移的影响以及对连接器本身产生纵向拉力的影响都得到了非常详细的研究。其中岩石和锚固索的应力，以及混凝土和岩石接触区域的应力都获得了特别关注。

对于各种工况和组合，LUSAS计算得出位移和应力分布，并绘制在模型的许多切片截面上。除索的锚固点处及附近的切片外，还有位于隧道的中间高度以及距离隧道底部4.5m、10m和15m的水平截面。一个纵向垂直剖面和一个向北（Söderström）倾斜15度的和向东倾斜15度的切面(与岩石中的一个断裂带相对应)使LUSAS分析的结果和其他人的分析结果能够进行详细的比较。

结果代表图

下面的图片说明了结果图的类型，用于评估连接处、锚索和岩石本身的应力和力的大小，这些应力和力是由于浸没混凝土隧道的永久、可变和偶然载荷造成的。

纵向竖直切片截面

竖直切片截面上的应力分布

岩踵中的应力分布

锚索的预应力

通过隧道和连接处的水平截面的应力分布

结束语

LUSAS中的结果表明，考虑到混凝土隧道与岩石之间的摩擦力，施加荷载至隧道连接器时岩石中产生的张力和变形是合理的。由于意外荷载的作用，后锚具和交叉锚具的锚索中的力均略有增加，在横向锚中增加的最大，但不超过10%的初始预应力。总的来说，结果表明，混凝土隧道连接器将在所有分析荷载条件下保持稳定。