隧道拱顶存在脱空的数值分析

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1、第4期(总第172期)华东公路No．4(TotalNo．172)2008年8月20日EASTCHINAHIGHWAYAugust2008文章编号：1001—7291(2008)04—0041—04文献标识码：B●隧隧道拱顶存在脱空的数值分析道关淑萍。李江林●(杭州华东工程检测技术有限公司，浙江杭州310030)摘要：隧道在长期运营过程中，目前最常见的病害是拱顶出现脱空。脱空对二衬结构受力是很不利的，它会导致结构混凝土出现开裂。为分析隧道拱顶脱空与拱顶纵向裂缝的产生有无相关性，本文基于大型有限元仿真软件ANSYS，计算分析二衬混凝

2、土与围岩脱空后对二衬结构受力状态的影响，判断由于脱空导致二衬结构混凝土开裂的可能性。，关键词：隧道；拱顶；脱空；数值分析1概述口、洞门和洞身衬砌质量。根据现场裂缝调查和雷达某高速公路隧道位于甬台温高速公路一期工程第检测结果，隧道左线典型k5+515(检测桩号k162一合同段，隧道分左右两线，包括明洞段和暗洞段。+922)断面范围拱顶出现了较大范围的混凝土裂缝本次以隧道左线为研究对象，它全长370m，其中明和衬砌脱空，如图2、图3所示。为分析二衬混凝土洞长25m，暗洞长345m。明洞采用现浇钢筋混凝土与围岩脱空后对二衬结构混凝土受

3、力状态的影响，本结构，暗洞衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护文选取隧道左线型k5+515(检测桩号k162+922)结构形式。隧道围岩衬砌横断面如图1，其中初期支断面，III类围岩段(按旧规范⋯)进行了有限元的护以锚杆、钢筋网及喷混凝土组成联合支护体系，二数值模拟计算。次衬砌采用模注混凝土结构，初期支护与二期衬砌结调查的隧道主要通过英安质含角砾晶屑熔结凝灰构之间设防水夹层。岩矗及流纹质玻屑凝灰岩，除北洞口外，以为主。上覆盖第四纪坡洪积层(dl—plq)，厚度0．5m钢筋网～1．0m，主要为粘土夹碎石类。隧道最大埋深76m，研究

4、的断面山体埋深约50m。左一一——一一』啦一—一L14———————————二二————右侧图2隧道k5+515区段裂缝调查结果示意图缺陷部位左拱肩图1隧道计算围岩衬砌横断面示意图(单位：高程为m；其他为cml拱顶受此隧道高速公路建设开发股份有限公司的委右拱肩托，2007年初检测单位采用高频探地雷达仪器对此图3隧道k5+515区段雷达检测结果示意图隧道左右线进行了病害检查，检查内容包括隧道洞}收稿日期：2008-04—13一42一华东公路2008年第4期2计算原理及方法hr锥体的内角点相接；“一”号则对应于Drucker—2．1

5、开挖效应模拟方法Prager圆锥面与Mohr锥体外接；若收=0，则其退为将衬砌和地层结构作为整体进行共同受力分化为Mises准则／一K=0。析，以验算结构整体稳定性和衬砌结构断面内力，本3计算模型及计算工况文训算方法采用有限单元法，用地层结构法的设计原3．1计算模型及计算参数理进行计算。模型边界：高度方向取至山体地面高，左、右边2．2Drueker—Prager屈服准则界和底边界取至5倍洞窒高度。直角坐标系的坐标原材料由初始弹性状态进入塑性状态的条件称屈服点位于右洞地面中心，轴平行隧洞断面且与水平地准则，又称屈服条件。屈服条件可

6、以用屈服函数和屈面平行，y轴垂直向上，z轴沿隧洞轴线方向指向外服面表示，在主应力空问中，屈服条件表示为侧。单元共划分：4642个单元、4946个节点。典型厂({})=0(1)隧道二维网格单元划分见图4。上式中的／’称为屈服函数，／’<0相当于弹性状态；厂=0表示屈服条件成立，材料开始出现塑性变形；不存住f>0的状态。对于岩土、混凝土一类材料的屈服条件一般用应力偏量的不变量表示为／、(，．，_，，)=0(2)式中，．——用来反映静水应力的影响；——、分别为应力偏量的第二和第三不变量(应力偏垃的第一不变量J．=0)。，II+2+3J

7、2=一(SIS2+S23+s3SI)图4隧道计算二维网格示意图J3=IS2s3(3)式巾．、s、s——为主应力偏张量。厢服函数在主应力空间形成一个曲面，称为屈服，、做衬砌面。当屈服函数巾的，．为一次项时，屈服面是以静／／6＼=，——水压力轴为中心线的一个锥面。屈服面在丌平面上／／／拱腰隧道拱0＼＼＼的截迹称为屈服轨迹。屈服轨迹有以下几何特征：①／／，／＼＼屈服轨迹是包围坐标原点的封闭曲线；②从坐标原Lfs一⋯⋯—二二⋯一U点作任一径向线必与屈服轨迹相交且只能相交一次；③屈服轨迹对耵平面上的三个坐标轴及其垂直线是图5二次衬砌应力关

8、注点不意图隧道暗洞段处于II、III、IV类围岩区段(按旧对称的。规范《公路隧道设计规范》JTJ026__90进行岩分本文对岩体采用Drucker—Prager屈服准则。Mo—类)。参照《公路隧道设计规范》JTGD70--2004附hr—Coulomb准则在竹平