隧道拱頂空洞計算分析

【摘要】隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，公路與鐵路隧道的數(shù)量不斷增加。山嶺隧道由于施工等多種原因經(jīng)常存在空洞，尤其拱頂空洞尤為普遍，本文運用ansys有限元軟件對猴子巖隧道拱頂襯砌空洞進行了數(shù)值模擬，為隧道的加固改造提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】隧道；空洞；數(shù)值模擬

1、引言

目前公路與鐵路隧道多采用復(fù)合式襯砌，二次襯砌拱頂脫空問題十分普遍。二次襯砌空洞會造成襯砌厚度不足，結(jié)構(gòu)受力特性惡化，并可能導(dǎo)致襯砌開裂、滲漏水，嚴重的可能引起隧道的局部坍塌。所以二次襯砌空洞特別是拱頂脫空應(yīng)該引起我們足夠的重視。

2、工程概況

猴子巖隧道為分離式+小凈距組合隧道。左洞長2961.95m，右洞長2974m，屬長隧道；隧道凈距30～16.37m，隧道區(qū)出露侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、砂巖夾粉砂巖，巖層傾向南東，傾角12～25°。無斷裂構(gòu)造，構(gòu)造屬簡單地區(qū)。本隧道采用三心園曲墻結(jié)構(gòu)，拱部大圓半徑R=734.5cm，邊墻大圓半徑R2=800cm。斷面凈空13.29m，凈高7.62m，內(nèi)凈空面積86.42m3。

3、模型建立

3.1參數(shù)選取

模型采用最不利支護參數(shù)，二襯厚度40cm，錨桿采用3.5m的φ25砂漿錨桿，間距為1m*1m，初襯采用15cm噴射混凝土，拱架采用H型型鋼。為簡化模型，采用將隧道周圍圍巖參數(shù)提高來模擬初襯錨桿及拱架，具體參數(shù)見下表。

3.2計算邊界確定

為保證足夠的求解精度和控制模型的大小，將半無限邊界簡化為有限邊界，有限元的分析區(qū)域可以限制在一定的范圍內(nèi)，模型邊界取距隧道3-5倍的隧道洞徑。本模型左右邊界采用4倍的洞徑共90米。上下取一倍洞高共26米。

4、有限元模擬

4.1有限元模型建立

本文采用ANSYS二維平面應(yīng)變彈塑性非線性方法進行模擬。根據(jù)隧道圍巖特征，數(shù)值模擬采用彈塑性本構(gòu)模型和摩爾庫倫屈服準則。在建模過程中，圍巖、隧道圍巖加固區(qū)都采用plane42等參單元模擬；二次襯砌采用beam3梁單元模擬。網(wǎng)格大小依據(jù)從外邊界圍巖到隧道結(jié)構(gòu)由疏到密的原則。隧道結(jié)構(gòu)本身與圍巖接觸部分范圍內(nèi)采用細密單元。有限元模型見圖1。

4.2加載及地應(yīng)力模擬

在模型邊界施加約束，并加載原始地應(yīng)力，在Y方向施加10的地球重力場來模擬隧道在地應(yīng)力作用下的原始應(yīng)力場，模擬地應(yīng)力時先利用ansys生死單元命令將襯砌單元殺死，并將隧道周圍加固區(qū)的圍巖屬性改為原始圍巖狀態(tài)。由計算結(jié)果可以看出地層最大位移量為8.676cm。模擬的底層Y方向位移結(jié)果如圖2。

4.3隧道開挖模擬及施作支護

Ansys模擬隧道開挖的大體思路：利用ansys生死單元命令殺死需要開挖掉的土體，然后改變隧道周圍加固土體的材料屬性來模擬初襯及錨桿，最后激活梁單元模擬二襯的施作。

5、結(jié)果分析

圖3為隧道x方向的位移，由圖中可以看出拱頂?shù)目斩磧蓚?cè)拱腰處的位移明顯增加，最大位移量1.013cm。圖4及圖5分別為隧道Y方向和X方向的應(yīng)力，由4可以看出拱頂空洞引起拱頂?shù)某两档脑黾印Ｓ蓤D5可以看出拱頂空洞邊緣出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖6為二次襯砌的彎矩圖。由圖6可以看出空洞兩側(cè)彎矩急劇增加，為不正常狀態(tài)。綜上所述，二次襯砌背后存在空洞會引起位移增加，應(yīng)力集中，很容易引起二次襯砌及隧道結(jié)構(gòu)的破壞。

6、結(jié)論

山嶺隧道襯砌拱頂空洞是一個普遍的問題，對隧道的危害性很大，究其原因主要是施工措施的不到位及施工的不規(guī)范，因此我們可以從施工層面考慮避免出現(xiàn)二次襯砌空洞的措施，主要有以下幾個方面：

a）通過加入泵送劑、減水劑來減少混凝土收縮；

b）保證輸送泵壓力和混凝土的流動性，在有鋼筋區(qū)段，應(yīng)加大混凝土的流動性；

c）模板臺車頂部兩端采用斜交泵送口，在有坡度的隧道中選擇高位泵送口澆筑；

d）保證初期支護的平整度和防水層的松鋪系數(shù)；

e）封口應(yīng)采用閥門方法；

f）混凝土應(yīng)加強振搗。

參考文獻

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