偏压荷载作用下连拱隧道衬砌裂缝仿真分析

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1、公路隧道2011年第3期(总第75期)偏压荷载作用下连拱隧道衬砌裂缝仿真分析金文良聂玉文李国安(广东省公路勘察规划设计院有限公司广州510507)摘要本文分析连拱隧道偏压荷载产生的原因，介绍衬砌裂缝仿真模拟基本方法，并对隧道衬砌结构处于偏压荷载情况下衬砌裂缝的形成和发展进行了数值仿真分析。关键词连拱隧道偏压裂缝数值仿真近年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐隧道，在Ⅳ级以下围岩中，以地形引起的偏压为主。步扩大，新的隧道结构型式和相应的施工方法不断表1拱肩至地表垂直距离t值(m)涌现，连拱隧道即是其中之一。双连拱隧道跨度大，地面坡度围岩级

2、别衬砌结构型式种类多，穿越的地质条件复杂多变，且1：11：1．51：21：2．5隧道设计时对地质条件的认识总是不够全面准确，Ⅲ544Ⅳ10865．5现有的隧道设计计算理论和方法还不成熟，虽然已V18161210经有一些文献涉及到了连拱隧道病害及其产生的原因，但多数只是停留在对病害现象的总结上，而很少2．2地质构造引起偏压对病害产生的过程及其与施工过程的关系进行系统地质构造常在多裂隙围岩(以Ⅲ一Ⅳ级较为突分析。本文针对偏压工况下连拱隧道裂缝产生机理出)中引起隧道偏压，其压力分布主要与下列因素有进行仿真分析。关：①围岩工程地质条件及控制性结

3、构面的产状及其与隧道轴线的组合关系；②隧道施工扰动范围；1偏压连拱隧道成因③控制性结构的强度以及作用在结构面上的法向偏压连拱隧道是指由于种种原因引起围岩压力力大小。隧道一侧受2个倾斜的软弱面(倾角为a)呈明显的不均匀性，使支护受偏压荷载。造成隧道及一组节理面所切割时，会形成不稳定块体，当围岩偏压的主要原因有3个方面。①施工原因：因施工的内摩擦角小于弱面倾角a时，岩层将沿弱面滑方法不当引起开挖断面局部坍塌，改变了围岩压力动并产生偏压。的相对稳定性，造成应力集中引起隧道偏压，如处理2．3施工原因引起偏压得当，一般不会影响隧道质量。②地质原因

4、：因岩层由开挖不当或支护不及时等引起隧道一侧围岩产状倾斜，节理发育，其间又有软弱结构面或滑动发生局部坍塌，或回填不实造成不稳定土体形成偏面，自稳能力差，施工中一旦受到扰动，岩体就会沿压。层理面出现滑动。③地形原因：隧道傍山，地形显著3偏压连拱隧道模拟方案偏压，侧压力较大且隧道埋深较浅。3．1偏压模拟方法2偏压连拱隧道判定连拱隧道衬砌裂缝的仿真模拟是采用荷载结构模型，因此通过采用在隧道衬砌上施加不同的荷载2．1地形引起偏压来模拟隧道衬砌所受的偏压条件。在模拟中，把衬围岩级别、地面坡度和覆盖层厚度是判断隧道砌周边分为1O个部分，每个部分施加

5、均匀的法向分偏压的3个重要因素。当隧道外侧拱肩至地表垂直布荷载，通过依次改变各部分荷载的大小，来研究在距离t等于或小于下表1所列数值时，应视为偏压各个部位荷载变化情况下裂缝出现的部位和发展规·6i金文良，等偏压荷载作用下连拱隧道衬砌裂缝仿真分析律，以得到对隧道衬砌最不利的偏压荷载情况，为隧压分10个等级施加，并取参考荷载P。一0．04MPa，道的设计、施工提供一定的参考。隧道衬砌上加载也即表中的数值是P0倍数。部位的划分见图1所示，各加载部位的名称见表2。矗3．2不同偏压模拟过程首先对隧道衬砌在均匀荷载作用下(即无偏压)模拟其裂缝的产生

6、、发展过程，作用在隧道衬砌结构周围分布荷载从0．40MPa开始模拟，模拟到出现裂缝为止，根据模拟结果为0．60MPa。隧道不对称偏压情况下的荷载分布情况见表3。由于隧道衬砌在图1加载平面图均布压力为0．60MPa时开始出现裂缝，因此考虑偏表2荷载分布部位荷载plP2P3P4P5所处部位大拱边墙大拱拱肩大拱外拱顶大拱内拱顶大拱内拱荷载P6P7P8P9Plo所处部位中墙顶小拱内拱顶小拱外拱顶小拱拱肩小拱边墙表3各种情况下荷载的具体分布偏压情况P1、P2P9、PloP5P6P3P8P4P7裂缝模拟过程12．51．75l_O1．02．251．5

7、11无裂缝23．31．751．O1．O2．251．51．01．0(增加P1和P2)大拱边墙脚刚开始出现裂缝33．31．751．0l2．51．5l1(加大P3)裂缝消失43．32．25112．25l_511(增加P9和P1o)／b拱与中墙交接处出现裂缝53．32．251l2．251．51．51．5(增加P4和P7)裂缝消失(增加Pl、Pz、P9、P10、P3、P8)中墙与小拱交接63．752．5112．5211处以及大拱边墙出现裂缝7(增加P9、P1o)中墙与大拱交接处以及小拱边3．753112．5211墙出现裂缝(增加P8)小拱与中墙出

8、现压碎，小拱边墙脚83．7531l2．52．51．51．5裂缝消失，其余裂缝发展93．753112．52．5l_5l_5(增加P4、P7)裂缝完全消失103．7531l2．52．54．53．25(增加P、P