基于MADIS GTS的隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

劉芳

（中建路橋集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，雖然地面交通日益擁堵，但是地下空間的開發(fā)和利用一定程度上可以緩解這個(gè)問題[1～3]。由于公路隧道工程所處的地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，且處于動(dòng)態(tài)變化中，隨著時(shí)間的增長可能會(huì)面臨各種各樣的問題[4]。支護(hù)結(jié)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在實(shí)際工程中，由于施工或者設(shè)計(jì)問題，隧道襯砌經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂縫或大變形等病害[5]。本文以貴州省貴陽市某公路隧道工程為背景，利用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算隧道所受外荷載，通過MADIS GTS軟件，研究不同隧道襯砌厚度下，襯砌結(jié)構(gòu)的受力、位移變形及安全性影響。

一、工程概況

貴陽市某公路隧道按分離式、雙向六車道設(shè)計(jì)，隧道凈寬14.5m，凈高5m，隧道周身巖體以IV和V級(jí)圍巖為主，隧道穿越多條破碎帶，地質(zhì)情況復(fù)雜。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可知，場區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，且未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)條件，比較適合修建隧道。

二、數(shù)值模擬

（一）模型參數(shù)及方案

根據(jù)地勘資料可知隧道上層圍巖和襯砌力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

襯砌取各項(xiàng)同性的彈性結(jié)構(gòu)，并利用1D梁單元具有抗剪、抗拉及抗扭的特性，以及其與襯砌受力情況相似的特點(diǎn)建立模型，沿著隧道縱向選取1m，襯砌的厚度分別取40cm、50cm和60cm?？紤]到尺寸效應(yīng)，需要確定模型邊界，同時(shí)約束上下、左右邊界的變形。隧道外輪廓到左右邊界的距離取5倍隧道寬度，隧道外輪廓到上下邊界的距離取3倍隧道高度。

（二）荷載組合

由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70-2004》可知，在深埋隧道開挖時(shí)，可采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)荷載。根據(jù)隧道埋深及圍巖等級(jí)等條件確定襯砌所受的垂直荷載Q1和水平荷載Q2，如式1所示，Q1為襯砌受到的垂直荷載；γ為圍巖重度；S為圍巖等級(jí)；i為圍巖壓力增減率；B為隧道寬度。

根據(jù)圍巖等級(jí)的不同，水平荷載Q2可通過垂直荷載Q1折減得到，如表2所示。

表2 圍巖水平荷載

根據(jù)承載力和正常使用要求，實(shí)施荷載最不利設(shè)計(jì)組合，僅考慮水平、垂直荷載及自重的結(jié)構(gòu)影響，荷載組合為1.5×自重+1.8×水平荷載+1.4×垂直荷載。

（三）安全評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70-2004》，隧道襯砌的安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足要求，如式2所示，K為安全系數(shù)；N為軸向力；為構(gòu)件軸向彎曲系數(shù)；為軸向力的偏心影響系數(shù)；Ra為混凝土的抗壓極限強(qiáng)度；b為截面寬度；h為截面厚度。根據(jù)規(guī)范可知，混凝土襯砌的安全系數(shù)應(yīng)不低于2.4。

三、結(jié)果分析

（一）不同厚度下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

通過計(jì)算分析可以得到不同襯砌厚度條件下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

襯砌厚度40cm時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力發(fā)生在襯砌底板位置，約2.18×102kN，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大剪力發(fā)生在襯砌右拱腳位置，約6.27×102kN，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大彎矩發(fā)生在襯砌底板中心位置，約3.54×102kN·m2；

襯砌厚度50 cm 時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力為2.42×102kN，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大剪力為6.80×102kN，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大彎矩為5.3×102kN·m2；

襯砌厚度60 cm 時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力為2.6×102kN，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大剪力為7.26×102kN，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大彎矩為6.75×102kN·m2。

隨著襯砌厚度增大，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的軸力、剪力與彎矩均增大，這是因?yàn)樵谙嗤奢d組合作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的自重隨著厚度的增大而增大，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的受力增大，另外由于在計(jì)算時(shí)把襯砌結(jié)構(gòu)模擬成各項(xiàng)同性的彈性結(jié)構(gòu)，所以不同厚度下襯砌的受力值大小不同，但受力最大值的位置相似。

（二）不同厚度下襯砌結(jié)構(gòu)位移云圖

通過計(jì)算分析可得到不同襯砌厚度條件下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移云圖。

在圍巖壓力作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移值主要集中在拱頂及拱肩位置附近，其中最大沉降值發(fā)生在拱頂位置。當(dāng)隧道襯砌厚度40cm時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲笪灰茷?.02×10-2m；當(dāng)隧道襯砌厚度50cm時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲笪灰茷?.22×10-2m；當(dāng)隧道襯砌厚度60cm時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲笪灰茷?.76×10-2m。

隨著隧道襯砌厚度的增加，襯砌的最大位移值逐漸減小，但減小速率減慢，最大值的減小速率由0.80變?yōu)?.46，說明增加隧道襯砌厚度有利于減小襯砌結(jié)構(gòu)的最大位移值，但不能一昧增加襯砌厚度。

（三）不同厚度下襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

如式2所示，可知不同襯砌厚度條件下襯砌的容許軸力值，根據(jù)容許應(yīng)力值和數(shù)值模擬結(jié)果，可知不同襯砌厚度條件下的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，如表3所示。

表3 不同厚度條件下襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

由此可知，隧道襯砌厚度密切影響著襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，隨著襯砌厚度的增加，襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)逐漸下降，但均大于15，說明安全性系數(shù)較高，能夠滿足隧道結(jié)構(gòu)安全要求。