隧道襯砌裂縫的力學(xué)行為分析

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074)

引言

我國地域自然條件差異較大，由于氣候、地質(zhì)等條件的不同，已經(jīng)開通運營的隧道經(jīng)常會出現(xiàn)一系列的病害,如隧道的襯砌裂縫、拱頂 的空洞、隧道的滲漏水、襯砌的腐蝕、隧道凍害、圍巖大變形、襯砌厚度薄、混凝土強度低、隧道內(nèi)空氣污染等病害，其中最常見的病害是隧道襯砌的裂縫，隧道襯砌產(chǎn)生裂縫嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全的穩(wěn)定性，降低了結(jié)構(gòu)的安全度。此外，如果不妥善處理裂縫，襯砌就會漏水，這不僅會影響隧道的正常運營，而且造成各種材料的腐蝕損壞， 路面積水使行車環(huán)境惡化，降低行車速度，影響行車安全,因此對隧道襯砌產(chǎn)生裂縫后的受力性能進行研究是十分必要的[1-3]。本文以重慶市渝中區(qū)某隧道為依托工程，采用有限元數(shù)值模擬方法，對開裂和未開裂隧道的受力性能進行比較，并詳細探討裂縫深度對隧道穩(wěn)定性的影響。

一、隧道概況

該隧道所在鴻恩寺片區(qū)為江北區(qū)城市拓展區(qū)域。周邊交通發(fā)達、路網(wǎng)環(huán)繞，外接江北濱江路、華新分流道、三橫線等幾條高等級市政道路，暢連重慶主城各區(qū)，距市中心、機場及市內(nèi)各區(qū)均在20分鐘左右車程。

隧道設(shè)計左、右線采用連拱雙洞單向三車道隧道方案，在滿足平面線型布設(shè)要求前提下，兩隧道線路測設(shè)中線間間距為15m。其中隧道左線位于曲線半徑R=2200(4000)m的圓曲線上，隧道縱坡1.25%，右線位于曲線半徑R=1500(2500)m的圓曲線上，隧道縱坡1.25%。左線隧道起止樁號為：ZK0+100～ZK0+840，隧道全長740m，右線隧道起止樁號為：YK0+100～ZK0+840，隧道全長740m，屬中隧道。隧道襯砌裂縫概況如下：

(1)拱壁部位裂縫主要以縱向的裂縫為主，裂縫的長度0.5～3m， 寬度為0.4～5mm不等。

(2)襯砌邊墻分布斜向裂縫和縱向裂縫為主，裂縫長度0.6～3m不等。

(3)對該隧道裂縫分布統(tǒng)計大致結(jié)果如下：①縱向裂縫，占裂縫長度的比例57.3% ，拱腰、拱頂、拱腳、邊墻占裂縫長度的比例分別為 38.7%、39.9%、5.2%、16.2% ；②斜向裂縫，占裂縫長度的比例 31.5% ，部位為拱部和邊墻；③環(huán)向裂縫，占裂縫長度的比例 11.2%,部位為拱部和邊墻。

二、有限元模型

根據(jù)工程前期的地勘報告及其他相關(guān)資料，本文對圍巖、隧道支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值如下表1、2所示。

表1 圍巖參數(shù)取值

表2 隧道支護參數(shù)

本文通過Midas/GTS NX三維有限元軟件來對隧道進行模擬。該工程的隧道埋深33.5m，劃分網(wǎng)格時，采用GTS NX自帶的混合網(wǎng)格生成器，軟件會自動根據(jù)用戶事先給定的線段劃分長度并在考慮節(jié)點耦合的情況下，生成疏密有致的以六面體單元為主，四面體單元為輔的網(wǎng)格，圍巖采用3D實體單元，隧道的混凝土襯砌采用2D板單元，錨桿采用1D的植入式桁架單元，裂縫的位置選取最容易產(chǎn)生縱向裂縫的拱頂位置。

三、數(shù)值模擬

(一)出現(xiàn)裂縫與未出現(xiàn)裂縫分析

本文通過在隧道拱頂處出現(xiàn)一道裂縫來進行計算分析，為了更好地對結(jié)果進行對比和說明，本文將先對不含裂縫的模型進行計算，得到不含裂縫模型的位移和應(yīng)力以后，再分析含裂縫模型的位移及應(yīng)力。表3中列出了相關(guān)計算結(jié)果。

表3 沉降值計算結(jié)果比較

不管是對隧道的拱頂，還是邊墻和底板，裂縫的存在對位移影響都比較小，但應(yīng)力卻比不存在裂縫的模型增加很多，計算結(jié)果表明，一旦隧道二襯出現(xiàn)了沿縱向的裂縫，隧道便處于很大的風(fēng)險之中，襯砌部分的應(yīng)力可能會超出材料的強度極限。

(二)不同裂縫深度分析

為了進一步了解裂縫的深度對隧道的影響，現(xiàn)選取裂縫深度a=5cm，a=10cm，a=15cm，a=20cm這4種工況進行有限元數(shù)值模擬計算分析，并對比拱頂沉降、裂縫尖端應(yīng)力，結(jié)果見表4。

表4 4種工況計算結(jié)果比較

通過四種工況下沉降及裂縫尖端第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力之間比較分析可以得出，在已經(jīng)運營的隧道荷載一定的情況下，裂縫深度越大，拱頂沉降、應(yīng)力越大，裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象也就越明顯，最終應(yīng)力達到材料的強度極限，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)性破壞。

四、結(jié)語

本文運用Midas/GTS NX三維有限元軟件，結(jié)合重慶市渝中區(qū)某隧道的實際情況建立了三維模型對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫后的力學(xué)性能進行了探討，得出如下結(jié)論:

(1) 一旦襯砌出現(xiàn)縱向裂縫，則相應(yīng)部位的應(yīng)力會大大增加，最大應(yīng)力集中在裂縫的尖端處，當(dāng)應(yīng)力超過了某一臨界值，裂縫將會擴展，隧道就會發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響了隧道結(jié)構(gòu)性安全性。

(2)在已運營隧道的荷載一定的情況下，裂縫深度越大，拱頂沉降、應(yīng)力越大，裂縫尖端應(yīng)力集中的現(xiàn)象越明顯，最終應(yīng)力達到材料的強度極限，從而導(dǎo)致隧道的失穩(wěn)性破壞。