隧道襯砌工程力學性能分析

崔洋　韓永勝

【摘 要】隨著我國交通建設的發(fā)展，隧道施工項目不斷增多，為了保證隧道工程的穩(wěn)定性，針對圍巖壓力經(jīng)常采用襯砌結(jié)構(gòu)進行施工。因此，需要對圍巖壓力與襯砌結(jié)構(gòu)等相關科學進行研究，分析其受力特性，并針對位移、應變、應力等方面進行總結(jié)，找出其中的規(guī)律，為今后隧道工程施工提供參考。

【關鍵詞】隧道；圍巖壓力；襯砌；研究

一、地質(zhì)因素對隧道圍巖的影響

（一）初始應力

初始應力是指在巖體工程開挖之前，在巖體中就賦予著的天然應力。它是天然存在于巖體中的應力，不因施工而產(chǎn)生。巖體的初始應力狀態(tài)通?？梢苑譃閮深悾旱谝活愐蛩赜兄亓Α囟?、巖體的物理力學性質(zhì)、巖體的構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的因素；第二類因素有地殼運動、地下水活動、人類的長期活動等暫時性的或局部性的因素。因此產(chǎn)生初始應力的原因主要有巖體及其周圍介質(zhì)自重應力和構(gòu)造應力兩種。下面研究一下，初始應力對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響：

它與初始應力的側(cè)壓力系數(shù)值有關，對圍巖穩(wěn)定性影響主要有以下幾種形式：

（1）很小時，以垂直應力為主，對其斷面結(jié)構(gòu)分析，洞頂和地面將產(chǎn)生拉應力，側(cè)墻產(chǎn)生壓應力。在巖石強度較大的洞頂上可能發(fā)生坍塌，因此要注意支護。

（2）隨著的增大，洞頂和地面拉應力的范圍將縮小，但側(cè)墻仍處于較高壓應力。因此，要注意側(cè)墻的穩(wěn)定性，對于強度較高的圍巖，可認為穩(wěn)定，對于強度較低的圍巖，要注意其可能產(chǎn)生剪切破壞而坍塌。所以，此時更要注意對側(cè)墻的監(jiān)測。

（二）巖體結(jié)構(gòu)對工程的影響

這里主要是指結(jié)構(gòu)面對巖體的分割效應。結(jié)構(gòu)面是指巖體內(nèi)已經(jīng)開裂或容易開裂的地質(zhì)界面。軟弱結(jié)構(gòu)面是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的關鍵因素。它對巖體性質(zhì)的影響大于巖石材料的影響。巖體的強度是不同結(jié)合程度的多塊體的殘余強度。

二、隧道圍巖壓力研究現(xiàn)狀

（一）深埋地下工程的圍巖壓力計算方法研究現(xiàn)狀

圍巖壓力的計算方法對于襯砌結(jié)構(gòu)的力學性能的重要性不言而喻。確定地下工程圍巖壓力的方法有以下三種：（1）工程仿真法；（2）直接測量法；（3）圍巖壓力估算法。在圍巖壓力理論方面，國外常用的方法是普氏理論，即基于塌落拱的計算原理和K.Terzaghi理論，而在我國，一般按習慣采用鐵路公路部門推薦使用的圍巖壓力計算法。

（1）經(jīng)典普氏理論

根據(jù)經(jīng)典普氏理論，該工程支護結(jié)構(gòu)的豎向均布壓力應按下式計算：

在以上公式中，代表水平均布圍巖壓力，代表坑道高度，代表土體重度，代表圍巖相關似摩擦角。

（2）K.Terzaghi理論

根據(jù)K.Terzaghi理論，我們把隧道圍巖當作散粒體，開挖后，坑道在上方圍巖形成了卸落拱，我們根據(jù)距地面深度是h的土層水平條帶的力平衡條件，列出了相關數(shù)學微分方程，并結(jié)合邊界條件求解，得到了豎向壓應力的計算公式見下式： （3）

在以上公式中，代表側(cè)壓力系數(shù)，代表松動寬度的一半，代表土體重度，代表隧道埋深，代表圍巖相關似摩擦角。從公式中可以得到，一般來說，越大，符合如下公式： （4）

當取1.0時，

（5）

（3）中國推薦方法

在我國，鐵路公路部門基于工程模擬法的基礎，對我國上千鐵路公路的隧道塌方進行了統(tǒng)計，分析了調(diào)查資料，在此基礎上統(tǒng)計出了圍巖豎向的均勻壓力的計算公式見下式：

式中，為豎直均布壓力，為圍巖級別，為圍巖重度，為寬度影響系數(shù)，的取值按照規(guī)范規(guī)定。

（二）淺埋地下工程的圍巖壓力計算方法研究現(xiàn)狀

（1）當圍巖埋深小于等于等效荷載高度的時候，結(jié)構(gòu)側(cè)向壓力的相應計算公式為

式中，為側(cè)向均布壓力，圍巖重度，為隧道埋深，為隧道高度，s為計算摩擦角。

（2）當埋深大于等效荷載高度的時候，可以算出作用在支護上側(cè)壓力如下式所述：

因此，作用在支護上的側(cè)壓力為：

當側(cè)壓力可視為均布分布應力時，公式變?yōu)?/p>

三、襯砌結(jié)構(gòu)建模計算分析

該建模選取的隧道型式為二維襯砌結(jié)構(gòu)，其中隧道的埋深是3.8m，在上面覆蓋土體重度為=22kN/m3，土的壓力系數(shù)=1-sin=0.5，內(nèi)摩擦角是31°；所用材料混凝土的重度=26kN/m3，彈性系數(shù)=2.87×107kN/m3，設計標準強度fck=2.68×106kN/m3，泊松比取為0.17；隧道采用的形狀為三心圓隧道，其中角等于角，半徑=6.3m，半徑=4.8m，都是60°。

在建模之后，我們對結(jié)構(gòu)依次施加地基彈簧、豎直荷載及側(cè)向力梯形分布荷載，而后對荷載進行了荷載組合。

四、結(jié)構(gòu)仿真計算結(jié)果規(guī)律分析

經(jīng)過分析計算，得到隧道襯砌在豎向荷載、自重荷載、水平荷載、組合荷載下襯砌的位移、應力和應變分布。

（一）結(jié)構(gòu)位移規(guī)律分析

查看結(jié)果，組合荷載下，該工程隧道襯砌在豎向方向上的最大位移發(fā)生在隧道拱頂?shù)牡胤?，最大位移是向下?3.56mm；水平方向上的最大位移發(fā)生在隧道側(cè)壁的地方，最大位移是13.27mm；隧道底部發(fā)生了隆起變形，最大位移是向上的5.65mm。

（二）內(nèi)力規(guī)律分析

在組合荷載下，該工程隧道襯砌結(jié)構(gòu)在Y方向的彎矩在襯砌結(jié)構(gòu)側(cè)壁處達到了最大值，最大絕對值彎矩為421.67kN，襯砌結(jié)構(gòu)底部最大絕對值彎矩為363.217kN。