隧道襯砌數(shù)值模擬與穩(wěn)定性分析

李天超

摘 要：通過(guò)有限元軟件MIDSA，采用桿系結(jié)構(gòu)有限元方法，對(duì)碓堿隧道Ⅴ級(jí)圍巖斷面 ZK94+790襯砌進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)了襯砌結(jié)構(gòu)斷面的內(nèi)力，指出該襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在車輛荷載條件下能夠保證隧道的安全與穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：隧道;襯砌結(jié)構(gòu);車輛荷載;軸力;彎矩;剪力

1 概述

公路隧道的襯砌結(jié)構(gòu)形式常采用的是復(fù)合式襯砌和整體式襯砌，本文采用的是復(fù)合式襯砌，這種形式的襯砌的斷面一般為曲墻拱頂。為了保證在使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)物有可靠安全度，隧道襯砌除必須保證足夠的凈空和足夠的強(qiáng)度，在隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)結(jié)合圍巖自承能力進(jìn)行。

目前，在做隧道的結(jié)構(gòu)體系計(jì)算時(shí)，主要采用兩類計(jì)算模型，一類是承載主體為支護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮圍巖作為荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的約束作為計(jì)算模型。另一類則相反，承載主體為圍巖，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形的約束作為計(jì)算模型。淺埋隧道中的整體或復(fù)合襯砌及明洞襯砌、深埋隧道中的整體式襯砌等應(yīng)采用荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算[1]。一般情況下，圍巖因過(guò)分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)主動(dòng)承載圍巖“松動(dòng)”壓力的情況下采用荷載-結(jié)構(gòu)法，再根據(jù)所得的襯砌內(nèi)力進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。本文對(duì)碓堿隧道Ⅴ級(jí)圍巖斷面ZK94+790襯砌進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)了襯砌結(jié)構(gòu)斷面的內(nèi)力，指出該襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在車輛荷載條件下能夠保證隧道的安全與穩(wěn)定。

2 工程實(shí)例

2.1 碓堿隧道概況

碓堿隧道起訖里程ZK92+160～ZK94+825，隧道全長(zhǎng)2 665 m，為雙線隧道。隧道進(jìn)口屬于剝蝕侵蝕丘陵地貌，位于架簡(jiǎn)村附近，左、右洞口位于山體斜坡處，地面標(biāo)高一般240 m～270 m，相對(duì)高差約30 m，自然邊坡坡向約330°，坡度15°～20°;隧道出口位于牛寮村附近，左、右出口位于斜坡地帶，地形上為斜坡，地面標(biāo)高一般205 m～225 m，

相對(duì)高差約20 m，自然邊坡坡向約90°，坡度15°～25°。

碓堿隧道與后期改造道路相交樁號(hào)分別為ZK94+790，YK94+762處，碓堿隧道出口段為超淺埋，碓堿隧道出口段ZS-Va襯砌實(shí)際埋深H=10 m。ZS-Va襯砌所在地段覆蓋層為第四系人工填土、全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土和全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為印支期花崗巖加里東期花崗巖。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

ZS-Va襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

2.3 計(jì)算程序及計(jì)算

內(nèi)力分析采用MIDAS軟件，采用桿系結(jié)構(gòu)有限元方法。將隧道襯砌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為沿結(jié)構(gòu)軸線的梁，圍巖壓力以節(jié)點(diǎn)力方式施加到襯砌結(jié)構(gòu)上，地基對(duì)襯砌的反力以地基彈簧方式施加到結(jié)構(gòu)上。襯砌結(jié)構(gòu)采用1維梁?jiǎn)卧戳Σ捎脙H受壓的曲面彈簧單元。

2.3.1 荷載組合

本項(xiàng)目隧道遭受的荷載主要是永久荷載和基本可變荷載，永久荷載包括襯砌自重、圍巖壓力等，基本可變荷載包括與隧道立交的公路車輛荷載，在計(jì)算過(guò)程中僅考慮襯砌自重、圍巖壓力及車輛荷載，采用基本組合QZH-1和基本組合QZH-2進(jìn)行承載力極限狀態(tài)校核，采用綜合系數(shù)法進(jìn)行強(qiáng)度校核，基本組合QZH-1的各分項(xiàng)系數(shù)均取1.0，基本組合QZH-2的各分項(xiàng)系數(shù)均取1.35。

2.3.2 承載比例

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD70-2010）第10.3.3條要求，雙車道隧道淺埋地段，初期支護(hù)承載比例≥50%，二次襯砌承載比例≥60%，本文實(shí)際計(jì)算按初期支護(hù)承載比例50%，二次襯砌承載比例60%來(lái)進(jìn)行。

2.3.3 襯砌荷載計(jì)算

襯砌荷載計(jì)算根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的方法進(jìn)行計(jì)算，荷載等效高度hq劃分超淺埋、淺埋和深埋段，垂直壓力和水平壓力由相應(yīng)公式計(jì)算得出，近似按照均布荷載考慮兩種壓力。本文選取碓堿隧道淺埋段進(jìn)行研究，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)[2]。

2.3.4 車輛荷載

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定對(duì)汽車荷載取值，車輛荷載不與車道荷載同時(shí)疊加。當(dāng)覆土層厚度符合《荷載規(guī)范》規(guī)定，汽車的輪壓荷載可按汽車在合理投影面積范圍內(nèi)的平均荷重計(jì)算，其中覆蓋層厚度和汽車荷載規(guī)定如下表2所示。

2.4 二次襯砌計(jì)算結(jié)果及強(qiáng)度驗(yàn)算

本文選用大型通用有限元軟件MIDAS實(shí)現(xiàn)計(jì)算，采用荷載-結(jié)構(gòu)模式。計(jì)算模型為碓堿隧道Ⅴ級(jí)圍巖斷面ZK94+790襯砌，一共有66個(gè)結(jié)點(diǎn)，65個(gè)梁?jiǎn)卧?。在基本組合QZH-2荷載作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算出內(nèi)力。軸力全部呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，仰拱的軸力最大，最大值1 604 kN，由拱頂向兩側(cè)逐漸增大，并且兩側(cè)軸力基本對(duì)稱;襯砌結(jié)構(gòu)彎矩正值最大值為400.2 kN·m，最大點(diǎn)在拱頂位置，彎矩負(fù)值最大值為372.5 kN·m，最大點(diǎn)在邊墻位置;襯砌安全系數(shù)最小值全都在拱頂、仰拱和拱腳的位置。證明了襯砌結(jié)構(gòu)中最易發(fā)生破壞的三個(gè)位置為拱頂、仰拱和拱腳。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)碓堿隧道Ⅴ級(jí)圍巖斷面ZK94+790襯砌進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)分析得到襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布及數(shù)值大小。（2）從襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖中總結(jié)出襯砌結(jié)構(gòu)中最易發(fā)生破壞的三個(gè)位置為拱頂、仰拱和拱腳，需加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。（3）該襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行，具備較好的穩(wěn)定性和安全性，為以后類似工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)。（4）建議在碓堿隧道出口淺埋段ZS-Va襯砌的二次襯砌穩(wěn)定后，再對(duì)與碓堿隧道上方立交的道路進(jìn)行改造?？紤]到碓堿隧道與改造后道路立交，建議交安專業(yè)加強(qiáng)交通安全防護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2018.

[2]覃仁輝.隧道工程[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2011.