二次衬砌结构拱肩存在空洞的力学行为分析-论文.pdf

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1、公路隧道2014年第1期(总第85期)二次衬砌结构拱肩存在空洞的力学行为分析李强韩敬文倪焕春。(1．四川都汶公路有限责任公司成都610041；2．潍坊滨海经济技术开发区交通运输局潍坊262737；3．自贡市自流井区环境监测站自贡643000)摘要公路隧道施工缝周边隧道衬砌不密实，会使衬砌结构发生物理与力学性能的改变。本文采用AN—SYS有限元软件，对隧道拱肩处存在空洞时二次衬砌结构的受力状态进行了模拟分析。通过模拟分析得知拱肩处的空洞将显著改变衬砌结构的受力状态，增大二次衬砌结构受压或受拉破坏的可能性，不利于衬

2、砌结构继续承担荷载。因此，拱肩部位出现空洞后，要加强对隧道的持续监控，同时应及时采取维护和加固措施。关键词公路隧道二次衬砌空洞数值模拟变化，有必要深入研究衬砌整体结构的受力和变形1引言规律，以便了解其安全性能与应力分布规律，研究高速公路隧道已作为高速公路交通的重要设其破坏机制，并提出相应的处治措施。本文采用荷施之一，是公路的咽喉要道与安全控制工程。隧道载一结构法对其进行深入的分析与探讨。在长期运营过程中，设计和施工中的缺陷、初期支隧道开挖后，地层作用主要对衬砌结构产生荷护的逐渐失效、地应力场的变化、地下水的侵蚀

3、作载，因此，衬砌是承受围岩压力荷载的结构主体I。用等因素在一定程度上会导致隧道二次衬砌结构围岩压力主要来源于周围岩体，存在局部空洞，也产生各种各样的病害，其中拱肩处出现空洞是很常不会发生明显变化，因此，采用荷载一结构法评估衬见的病害之一。国内外对隧道病害的整治大多集砌存在空洞下的承载性能具有科学性与合理性。中在裂缝和渗漏水等方面[】]，对衬砌背后空洞研究通常状态下，隧道中的衬砌结构为受周向约束的高得较少。次超静定结构，即便存在空洞，某处的局部失效(即某几个截面失去承载能力)也并不意味着结构整体失效，只有当整个拱

4、圈或某侧边墙的绝大部分失效时，才有可能导致结构失效。为此，可设隧道衬砌的横截面是由两侧边墙和拱圈3部分组成的一个串联体系，采用荷载一结构模型分析隧道衬砌结构受力状况的方法。本文在采用的荷载一结构法对公路隧道的衬砌图1衬砌突发性崩塌示意L3]结构进行力学分析时，采用了梁单元Beam3模拟衬一般而言，此种病害达到一定程度，会使衬砌砌结构；而采用连杆单元Linkl0模拟隧道结构与围结构严重变形、开裂、渗漏水侵蚀加强，衬砌混凝土岩的相互作用。强度降低，衬砌结构的整体性受到破坏，如图1所示；严重的情况会造成拱顶掉落，边墙

5、倒塌，进而造3隧道的基本情况概述成整个隧道倒塌[3]，造成惨重的人员伤亡和重大的经济损失。因此，对这种病害形式下二次衬砌的受公路等级为高速公路，设计速度为80km／h，采力状态进行模拟分析，具有重要意义。用三心圆断面形式，其净截面如图2所示。围岩为Ⅳ级浅埋，围岩重度为21．5kN／m3；二次衬砌的混凝土2荷载一结构法原理及其处理方法为C35，混凝土密度为2500kg／m3，弹性模量E为针对上述隧道衬砌存在空洞引起的物理力学32．2GPa，泊松比为0．2。·24·公路隧道2014年第1期(总第85期)续表6＼＼工

6、况●———一▲．单＼12345175．995．935．935．935．934善21—3．9O一3．70—3．49—3．35—3．24一R／氇f23—1．35一O．95一O．64—0．42—0．2722517．3814．6412．171O．218．67十左拱腰十右拱腰282．332．5O2．782．973．12l●O338．328．308．288．278．260．30．4厚度／cm35—1．O3—1．O0一1．O1—1．O2—1．04图1O拱腰应力403．813．803．8O3．803．8O。O．2O．30．4O

7、．5一1十拱顶2吕霎一：氆▲▲▲▲▲1一3一一-4O厚度／cm厚度／cm图11拱顶应力图7拱顶位移趋势4一一l一一重2+仰拱左端+仰拱中部+仰拱右端OO．2QQ0．5-2厚度，cm图12拱肩应力图8仰拱应力对表3各单元进行整理分析其在不同工况下的9应力趋势图可得出以下6点基本认识：’一-一-(1)由图7可知，洞顶围岩变形位移随着拱肩空洞的深度增大而增大，但变化不明显。重(2)由图8、图9可知，随着拱肩出现空洞增大，对左端仰拱和边墙的应力有影响，但影响度很小。3例如，仰拱右端的应力随着拱肩衬砌厚度的减小而+左边墙

8、减小，但减小速率不超过3．5；仰拱左端应力随着+右边墙●●O增大，但增大速率不超过3．3％。O_30．4厚度／cm(3)图10中在工况2，3，4，5下，右拱腰部位的图9边墙应力应力随着拱肩厚度的减少而减小，减小速率分别为4．5，10．9，19．9和25．4。·26·李强等二次衬砌结构拱肩存在空洞的力学行为分析(4)图l1中随着拱肩空洞的增大，拱顶的拉应越明显；反之，则影响越小。力随之增