關(guān)于隧道“微整形”對受力狀態(tài)影響的研究

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

一、引言

在實(shí)際隧道設(shè)計(jì)中，大部分都是套用標(biāo)準(zhǔn)圖紙，按著不同的圍巖級別、隧道規(guī)模等等套用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖紙以提高工作效率。但是在實(shí)際中，對隧道進(jìn)行一些部位的小小的調(diào)整，其受力狀態(tài)會發(fā)生較大的變化，使隧道圍巖最大化承受圍巖壓力，減少襯砌結(jié)構(gòu)的受力，從而使得隧道減少襯砌結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本并且保證隧道安全施工運(yùn)營，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理[1-3]。

隧道“微整形”是通過微小調(diào)整隧道的尺寸，通過有限元分析其受力計(jì)算，分析其受力狀態(tài)發(fā)生的變化規(guī)律，通過比較分析其在什么樣的斷面下隧道的受力最優(yōu)。

本文主要是對簡化模型的數(shù)值分析計(jì)算，并用最簡單的方法微小調(diào)整隧道的斷面，計(jì)算其受力的狀態(tài)，分析其隧道的在微小調(diào)整隧道斷面過后的變化狀態(tài)。

二、隧道斷面“微整形”的思路

通過對典型隧道斷面的進(jìn)行一個(gè)簡化過后進(jìn)行建模，其簡化模型如下圖1所示，微小調(diào)節(jié)模型斷面則只是通過該表點(diǎn)5的坐標(biāo)，使點(diǎn)5進(jìn)行簡單的上下移動，點(diǎn)50也隨之移動，每次移動的距離為0.05m，每次計(jì)算的點(diǎn)5的坐標(biāo)如表1所示。

圖1 隧道的簡化模型

三、計(jì)算模型的建立以及材料物理力學(xué)參數(shù)

(一)計(jì)算模型的建立

隧道工程和其他工程類似，經(jīng)常用比選的方法來選擇方案進(jìn)行優(yōu)化，采用大型軟件ANSYS對不同尺寸斷面襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析，采用荷載結(jié)構(gòu)法對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元Beam3，隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間的相互作用采用Combin14，其建立的模型如圖2所示。

(二)圍巖及材料物理力學(xué)參數(shù)

本次采用的是Ⅲ類圍巖，容重為22KN/m3，彈性模量為3.2GPa，泊松比為0.32，基床系數(shù)為400KN/m3，凝聚力為襯砌結(jié)構(gòu)所采用的混凝土標(biāo)號為C30，鋼筋混凝土的容重為25KN/m3，彈性模量為30GPa，泊松比為0.2[4]。

圖2 隧道的有限元模型

四、不同隧道斷面分析比較

改變點(diǎn)5的坐標(biāo)，分別計(jì)算隧道斷面的彎矩圖、軸力圖以及剪力圖，根據(jù)隧道的受力特征，按照圖3單元編號圖中選取11單元、26單元、13單元、20單元進(jìn)行彎矩和軸力進(jìn)行分析，選取11單元、24單元、8單元、20單元進(jìn)行剪力分析。其分析結(jié)果如下。

圖3 單元編號圖

圖4 彎矩變化圖

根據(jù)圖4中可以看出，當(dāng)隨著點(diǎn)5的坐標(biāo)變大，11、13單元的彎矩呈變小趨勢，11單元變化幅度較大，13單元變化幅度較小；26、20單元的彎矩呈增大趨勢，單元變化幅度較小。因此，當(dāng)隨著點(diǎn)5坐標(biāo)增大，拱頂?shù)膹澗刂底冃?，拱腳和拱底彎矩值變大。

圖5 軸力變化圖

根據(jù)表圖5中可以看出，當(dāng)隨著點(diǎn)5的坐標(biāo)變大，11、26、13、11單元的軸力都呈變小趨勢，變化幅度較小。因此，當(dāng)隨著點(diǎn)5坐標(biāo)增大，隧道斷面的軸力都呈減小趨勢。

圖6 剪力變化圖

根據(jù)圖6中可以看出，當(dāng)隨著點(diǎn)5的坐標(biāo)變大，11、8單元的剪力呈變小趨勢，11單元變化幅度較大，8單元變化幅度較??；20、24單元的剪力呈增大趨勢，單元變化幅度較小。因此，當(dāng)隨著點(diǎn)5坐標(biāo)增大，拱頂?shù)募袅ψ冃?，拱腳和拱底彎矩值變大。

五、結(jié)論

1、微小的調(diào)節(jié)斷面的尺寸，隧道的彎矩、剪力拱頂變化比較大，其余部位變化較小，軸力影響相對較少，因此在隧道設(shè)計(jì)時(shí)，微小調(diào)節(jié)隧道尺寸有重要意義。

2、通過計(jì)算彎矩、剪力最大值出現(xiàn)在拱底處，但是隨著點(diǎn)5坐標(biāo)增大，拱底彎矩、剪力成增加趨勢，所以從最大值考慮，適當(dāng)降低點(diǎn)5坐標(biāo)有利于隧道襯砌。

3、隧道“微整形”應(yīng)該進(jìn)行多位置的調(diào)整，調(diào)整出合理的斷面使得更加安全經(jīng)濟(jì)。