公路隧道二次襯砌受力分析

張超 朱世奇 吳天成 胡思齊 徐麗娜

摘 要 公路隧道二次襯砌除了滿足建筑限界條件外，還需要具有足夠的強度和安全性。本文在分析現(xiàn)有的公路隧道二次襯砌受力研究現(xiàn)狀的基礎上，對公路隧道曲墻式襯砌的截面強度理論計算方法進行闡述，并以某實際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態(tài)，本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態(tài)的分析提供一定的借鑒和參考。

關鍵詞 公路隧道;二次襯砌;受力分析

概述

公路隧道襯砌除了必須要滿足建筑限界和保證足夠的凈空以外，還要求有足夠的強度，能夠保證使用期內的安全性和可靠性。隧道開挖后，襯砌結構在圍巖壓力長期作用下，特別是不均勻壓力作用下，容易產(chǎn)生裂紋或破壞，進而帶來一定的經(jīng)濟損失。因此，隧道主體結構受力特征的研究得到了國內外學者的廣泛關注。張鐸等建立有限元模型，利用荷載-結構法分析某隧道二次襯砌結構的安全性[1]。于景龍等通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析，研究了初期支護與二次襯砌之間接觸壓力的分布規(guī)律[2]。王運周等通過現(xiàn)場監(jiān)測，分析松散堆積體隧道二次襯砌受力特征及承載機理[3]。馬福彬等研究了巖溶區(qū)隧道二次襯砌結構內力的分布特征[4]。劉瑞斌等以實際工程為依托，分析了不同圍巖級別條件下，襯砌背后水壓和襯砌接觸壓力的分布特征[5]。

本文在研究國內外相關文獻資料的基礎上，對公路隧道曲墻式襯砌的截面強度理論計算方法進行闡述，并以某實際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態(tài)，本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態(tài)的分析提供一定的借鑒和參考。

1曲墻式襯砌計算方法

1.1 主動荷載作用下的力法方程和內力

公路隧道一般情況采用曲墻式襯砌形式，又拱圈、曲邊墻和仰拱組成，拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱計算，若施工時后做仰拱，可不考慮仰拱對襯砌的影響。取基本結構如圖1所示。

根據(jù)拱頂截面相對變位為零的條件，可列出力法方程，如公式（1）所示。

1.2 襯砌最終內力計算

計算主動荷載和被動荷載分別產(chǎn)生的襯砌內力，可得：

襯砌總內力可用公式（3）計算得到。

2實例分析

某山嶺一級公路隧道，設計時速為80 km/h，計算段圍巖級別為V級，容重為=18 N/3，彈性抗力系數(shù)= 150 Pa/，形變模量 E=1.2 GPa，泊松比=0.4，內摩擦角= 22°，黏聚力= 0.1Pa，計算摩擦角= 45°;襯砌材料為 C25 混凝土，彈性模量? = 2.8 × 107Pa，容重? = 25N/3，厚度為40 cm。圖2為襯砌結構計算示意圖。

根據(jù)公式（1）～（3）可以得到襯砌總內力，如表1所示。

將內力計算結果按比例尺繪制彎矩圖及軸力圖，如圖3所示。從圖上可以看出洞頂彎處彎矩最大，而軸力最大值出現(xiàn)在拱腳處。在截面2、截面3、截面4、截面6和截面7處出現(xiàn)負彎矩，其中最大負彎矩出現(xiàn)在拱肩，因此在截面驗算時應該重點關注拱頂截面，拱腳截面和最大負彎矩截面。

3結束語

本文在分析現(xiàn)有的公路隧道二次襯砌受力研究現(xiàn)狀的基礎上，對公路隧道曲墻式襯砌的截面強度理論計算方法進行闡述，并以某實際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態(tài)，通過計算發(fā)現(xiàn)洞頂彎處彎矩最大，而軸力最大值出現(xiàn)在拱腳處，最大負彎矩出現(xiàn)在拱肩，因此在截面驗算時應該重點關注拱頂截面，拱腳截面和最大負彎矩截面。本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態(tài)的分析提供一定的借鑒和參考。

參考文獻

[1] 張鐸，張瑩.隧道二次襯砌結構驗算與裂縫原因分析[J].黃河水利職業(yè)技術學院學報，2017，29（2）：21-24.

[2] 于景龍，靳文強.高速鐵路泥巖隧道二次襯砌受力特性分析[J].蘭州工業(yè)學院學報，2017，24（1）：29-33.

[3] 王運周，程寅，費月英，等.覆蓋松散堆積體隧道二襯受力特性研究[J].工程勘察，2018，46（2）：12-16.

[4] 馬福彬，倪婉昱.巖溶區(qū)連拱隧道二次襯砌的受力特征分析[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2019，15（3）：107-109，113.

[5] 劉瑞斌.富水大斷面軟巖隧道支護結構受力性能試驗[J].土木工程與管理學報，2019，36（5）：123-128，136.