拱顶存在空洞的隧道衬砌受力性能数值分析

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1、拱顶存在空洞的隧道衬砌受力性能数值分析彭念1张永兴1赵伟2廖志军3李中海4(1．重庆大学，重庆400045；2．中交第二航务工程勘测设计院有限公司，武汉430071；3．重庆南涪公路发展有限公司，重庆400060；4．广安市公路勘察设计院，广安638000)摘要：本文以八一、向阳隧道为工程背景，运用二维弹塑性有限元方法对拱顶有空洞以及没有空洞的隧道衬砌结构的受力性能进行了对比分析。研究结果表明：由于空洞的存在改变了衬砌结构原有的受力状态，拱顶有空洞的隧道衬砌拱顶下缘受压，拱腰处衬砌下缘受拉；而拱顶没有空洞的隧道衬砌受力则相反。关键词：隧道衬砌；空洞；--维弹塑性有限元

2、；受力性能1引言山地、丘陵和高原约占我国面积的70％，随着公路建设的发展，特别是近几年高速公路的快速发展，不可避免的会兴建大量的隧道，这些隧道在施工过程中可能出现拱背回填不密实的情况，再加之随着环境条件的改变隧道在运营过程中空洞现象可能会进一步加剧，其结果是：一方面隧道的围岩受力特性会发生显著的变化¨01；另一方面隧道衬砌的受力性态会发生很大的改变，随着时间的累积，隧道会出现不同程度的病害，譬如开裂，渗水，局部掉块等现象，给正常的公路运营造成较大的安全隐患。对于前者已有学者做过研究，本文主要探讨空洞对隧道衬砌结构受力性能的影响。为了准确评价空洞对隧道衬砌结构受力性能的

3、影响，本文采用二维有限元数值分析方法，对八一隧道拱顶存在空洞和不存在空洞的两种情况进行了对比分析，得出了较为有益的结论。2向阳、八一隧道工程概况重庆市八一、向阳隧道是连接牛角沱与菜园坝火车站的重要基础设施，八一隧道建成于1986年。隧道全长568．63m，净宽11．0m，净高6．85nrl，侧墙高4m。衬砌端面形状为直墙等截面拱，矢跨比约为0．25。向阳隧道建成于1976年。隧道全长537m，净宽8．5m，净高5．5m，侧墙高2．5rn。衬砌端面为直墙等截面半圆拱，其拱圈内缘半径为4．50m，矢跨比为0．5。两隧道从建成运营至今已有数十年，目前“八一”隧道出现了较为严

4、重的病害，主要表现为施工缝浸渗、滴漏、拱壁裂缝、拱顶掉块等，其中里程桩号210—350段拱壁裂缝非常发育，长度1～14m，缝宽l一8mm，以张拉裂缝为主，无明显错位，拱腰纵向裂缝较发育，局部地段有斜向裂缝，环向裂缝较少，裂缝间未贯通，无网状开裂；210—105段拱顶剥落掉块严重，最严重地方掉块长达150cm，宽50em，深达30cm；浸渗和滴漏主要出现在施工缝。向阳隧道相对完好"1。3计算模型与计算参数的选取3．1计算模型的建立图1、图2是八一、向阳隧道与围岩复合体的二维有限元模型单元划分(图中左右两边分别是八一隧道和向阳隧道)。八一、向阳隧道拱部衬砌采用梁单元(Be

5、am3)；岩土体亦采用平面应变单元(plane82)。分析时，利用单元的生死特性对隧道开挖以及空洞进行模拟H．5J。围岩的几何尺寸在各个方向上均取拱台尺寸的3倍，假定在更远处的围岩受到荷载作用的影响很小，可忽略不计。圈t无空洞的髓馗与围岩复台体有限元艇型～‘o隔2卉空嗣的睦罐‘{嗣崩篁音体钉融元横世32计算参数选取研究32】倒岩参数研究嗣岩力学参数的选择E耍依据现场钻孔取样试验结果和隧道顶部建筑物勘察疆料．结台工程实际情况．遵循《工程地质勘察规范》rDBJ5()—043—2005)对岩上体性质指标的相关规定，并在试苒反演分析的基础h埘围岩参数进行了词整．其具体诵整为：

6、当

7、l；：『岩￡_强度参数f试验数据)换算秉当{j{f岩体强度参数时，变彤横量的折碱系数为0．6．粘聚力的折城系数为02，内摩擦角的折减系数为085：考虑时间敬臆时，强度参数均乘以095的系数作为汁葬参数6其娘始参数与嗣整后的客敫情况如表J所示322对砌材抖参数毋陵八隧道二?j：衬砌为C20混凝土问阳隧道边墙为条右，拱部卡}勖为C15麓凝土，如表2所示表l围岩蛰敛裹参数剽-)

8、、娄别凸Mn}H∥‘譬∥k阢打料、种娄砂岩岩傩I93zlo、0252580¨83x}0’泥岩岩体o92×I一"_362530053xIlr4隧道衬砌受力性能计算结果经检测发现．八隧馗多处拱厦同填

9、欠密实向阳髓道回填情况相对较好二田此．对八隧道拱顶存在宅洞和小存在窑嗣2种情况进行rjt忻，眦揭Hi拱项回域不密实对隧道村砌受力的影响^隧道椠啦元编号如图3所目i，，∥-b‰bl图3八一隧道村嘟絷单元q示意图41八一隧道拱顶不存在空酒(回填密实)的内力计算结果分析圈4、图5中左图为八一隧道．右豳为向阳隧道^N固4对西单正弯砸图I●田5封痢单，c弯!≈-Jl图@：

10、表3八一隧道衬砌内力表八一隧道衬砌单元弯矩／(kN·m)八一隧道衬砌单元弯拉应力／kPa单元号I节点J节点I节点J节点4567—5．34×105—2．43×105—1．28×107—5．83