斷面型式對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

王慶國(guó)

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西渭南 714000)

1 概述

隧道圍巖巖體是一種天然形成的非單一性質(zhì)的復(fù)雜的地質(zhì)材料,影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多,主要有地質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、巖體力學(xué)性質(zhì)、工程因素、地下水和時(shí)間,等等。因此,在現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)中,斷面有各種各樣的型式,不同的隧道斷面型式,相應(yīng)地就有不同的支護(hù)措施,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。掌握這些隧道斷面的力學(xué)特性,在此基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟(jì)因素,多方案綜合比選,選擇最優(yōu)斷面型式。

鐵路隧道多為山嶺隧道,需承受來(lái)自巖體的豎向和側(cè)向壓力,所以斷面的型式多為馬蹄形。當(dāng)隧道為單線時(shí),呈長(zhǎng)馬蹄形;當(dāng)隧道為雙線時(shí),呈壓肩式馬蹄形。在采用盾構(gòu)施工時(shí),也采用圓形斷面。公路隧道斷面的型式比較多樣化,典型的斷面有馬蹄形、扁橢圓形和帶平坦仰供的扁橢圓形。當(dāng)?shù)罔F隧道的覆蓋層較小時(shí),一般用矩形或帶頂拱的矩形斷面;覆蓋層較深時(shí),則選擇圓形或偏圓形斷面。

地質(zhì)條件對(duì)確定斷面的影響,則主要指巖體的地質(zhì)條件及受力狀態(tài)和圍巖的狀態(tài)。巖體的地質(zhì)條件及受力狀態(tài)包括巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)以及在被開挖后產(chǎn)生的松動(dòng)、應(yīng)力重分布等。當(dāng)覆蓋層較厚時(shí),巖體作用在隧道上的水平及垂直外力均較小,隧道斷面可取矩形或帶頂拱的矩形斷面。當(dāng)巖體的垂直壓力較大、水平壓力較小時(shí),可取無(wú)仰拱的不封閉形的半橢圓、拋物線或半圓形斷面。隨著巖體垂直壓力及水平壓力的增大,隧道承重結(jié)構(gòu)中的彎矩和軸力也增大,為減少外力引起的彎矩,即減少外力在承重結(jié)構(gòu)中的拉應(yīng)力,斷面形式需接近圓形,必要時(shí)采取仰拱,形成封閉斷面。巖體壓力越大,形狀應(yīng)越趨于圓形或做成圓形。

洞周圍巖對(duì)斷面的影響,其強(qiáng)度越大,圍巖的自承能力也越大,則巖體在承重結(jié)構(gòu)上引起的內(nèi)力也越小,可供選擇的隧道斷面的形狀也越多。一般當(dāng)圍巖為穩(wěn)固巖石且裂縫少時(shí),斷面的形狀選擇比較自由,斷面形狀可選為不封閉的馬蹄形或帶平坦頂拱的矩形斷面。當(dāng)圍巖為松軟的可塑性巖石,隧道斷面形狀需趨于圓形,并設(shè)置仰供。仰供的曲率隨隧道圍巖強(qiáng)度的降低而增大,在復(fù)雜地質(zhì)的條件下,隧道斷面需接近圓形或做成圓形。在特殊地質(zhì)條件下,斷面的選擇要盡可能適應(yīng)地質(zhì)情況,使隧道處于較為有利的受力狀態(tài)。

建造方式對(duì)選擇斷面的影響主要是和隧道建造方法以及所使用的機(jī)械設(shè)備有關(guān)。如采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖時(shí),隧道斷面最好為圓形或接近圓形。在采用盾構(gòu)開挖時(shí),也有同樣的要求。在選擇斷面時(shí),需要同時(shí)考慮隧道的建筑方式,以及所采用的機(jī)械設(shè)備,以使斷面的形狀、大小與建筑方式相適應(yīng),減少不必要的多余開挖,提高效益。

2 數(shù)值計(jì)算

以鐵路Ⅴ類圍巖的圓形和馬蹄形隧道為例,綜合《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》等資料,取計(jì)算參數(shù)如表 1。

表 1 Ⅴ類圍巖及支護(hù)體系力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算采用 D-P準(zhǔn)則,圍巖采用彈塑性材料,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性材料。為減小邊界效應(yīng)的影響,左右及下邊界取到 3—5倍隧道開挖直徑,上邊界取為自由邊界,考慮重力影響,左右邊界為 x方向約束,下邊界為 y方向約束,縱向邊界為 z方向約束。為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文未考慮地下水的影響。

計(jì)算所得結(jié)果如圖 1和圖 2所示。

圖 2 馬蹄形斷面隧道豎向位移和內(nèi)力云圖

表 2列出了隧道不同斷面形式(圓形和馬蹄形)的豎向位移最大值和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值。

表 2 Ⅴ類圍巖不同斷面形式的豎向位移最大值和內(nèi)力最大值

通過(guò)對(duì)Ⅴ類圍巖下圓形和馬蹄形斷面豎向位移最大值和內(nèi)力最大值的比較,可以看出,圓形要比馬蹄形受力合理的多,其中仰拱起了很大作用。

隧道工程中,仰拱的設(shè)置不僅提高了隧道施工的安全性,而且提高了隧道長(zhǎng)期使用的耐久性,尤其在側(cè)壓大、各向異性程度高和膨脹性趨勢(shì)大的巖層中,其作用更為明顯。

從力學(xué)觀點(diǎn)看,隧道可視為由巖層支撐環(huán)和隧道支護(hù)組成的相互作用的厚壁圓筒,而這樣的圓筒只有閉合時(shí),才會(huì)在力學(xué)上發(fā)揮作用。因此,盡早使仰拱與隧道上部襯砌連接成閉合環(huán),不僅能更好的發(fā)揮仰拱的作用,而且對(duì)控制洞室周邊的位移也有明顯的作用。此外,地質(zhì)條件、斷面形狀大小以及仰拱的修筑時(shí)間都會(huì)對(duì)仰拱作用的發(fā)揮產(chǎn)生重大的影響。及時(shí)修筑仰拱,使襯砌環(huán)盡早形成,不僅可以大大抑制圍巖內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展,而且能有效控制位移的發(fā)展。同時(shí)對(duì)于控制圍巖內(nèi)的應(yīng)力釋放也有著重要的意義。

隧道開挖后,應(yīng)力重分布變得不利。開挖跨度越大,軸力也就越大,特別是側(cè)壓系數(shù)小時(shí),凈空寬度有擴(kuò)大的可能,底腳的應(yīng)力集中較大,因而要求較大的地基承載力。拱頂范圍不穩(wěn)定,會(huì)形成較大的松弛地壓。對(duì)圓形斷面隧道來(lái)說(shuō),在彈性介質(zhì)靜水壓力場(chǎng)中,開挖后坑道周邊的最大主應(yīng)力是初始應(yīng)力的兩倍。如圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度比中分布的應(yīng)力小,隧道周邊圍巖將出現(xiàn)塑性化,為此需要強(qiáng)大的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)控制變形。而對(duì)于扁平隧道來(lái)說(shuō),開挖后最大主應(yīng)力為側(cè)壓系數(shù) K=1的初始應(yīng)力的 3倍,K=0.7時(shí)的 4倍。因此,與過(guò)去的隧道相比,即使有很大的強(qiáng)度,也會(huì)出現(xiàn)塑性化和大的變形。也就是說(shuō),側(cè)壓系數(shù)比 1小時(shí),扁平度越大。為保證無(wú)支護(hù)的自穩(wěn)條件,就必須要求有較大的圍巖強(qiáng)度比。

3 結(jié)論

(1)在帶仰拱的隧道施工時(shí),應(yīng)盡早灌筑仰拱,使之與上部襯砌結(jié)構(gòu)形成閉合環(huán),充分發(fā)揮其作用。

(2)在隧道斷面型式設(shè)計(jì)上應(yīng)選擇一種較好的造型。因?yàn)樵谄渌鼦l件相同的情況下,斷面的形狀對(duì)應(yīng)力分布、塑性區(qū)的發(fā)展和徑向位移約束等的影響是相當(dāng)大的。隧道斷面形狀應(yīng)盡可能由光滑的曲線組成,以避免應(yīng)力集中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

總之,仰拱的施設(shè)對(duì)改善隧道結(jié)構(gòu)的受力狀況,提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都有非常重要的作用。

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