渣土荷載作用下西寨隧道穩(wěn)定性影響分析與安全性評價

范 祺

（山西省高速公路綜合行政執(zhí)法總隊 太原支隊，山西太原 030006）

0 引言

隧道洞口淺埋段襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關重要，影響施工期和運營期隧道的安全性，已成為工程界和學術界關注的重點。目前研究主要在隧道施工期洞口淺埋段的穩(wěn)定性，為驗證淺埋段和邊坡支護結(jié)構(gòu)設計的合理性，付智源[1]結(jié)合G207 蘇亭隧道淺埋段施工案例，通過對施工過程中布置測點對邊坡、隧道圍巖變形情況進行監(jiān)測，分析了淺埋段隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，驗證了設計與施工方案的可行性；張國銀[2]以某高速公路隧道進口滑坡為例，通過工程地質(zhì)勘察，查明了滑坡體的工程地質(zhì)條件和滑坡產(chǎn)生的原因，評價了滑坡的穩(wěn)定性。張福龍等[3]以阿拉坦隧道為工程背景，選取隧道拱頂豎向位移為研究對象，分析了隧道淺埋段圍巖豎向位移的監(jiān)測方法，并與數(shù)值計算結(jié)果進行了分析比對。運營期隧道洞口淺埋段在外荷載作用下的穩(wěn)定性研究較少，本文以某高速公路改擴建為工程背景，采用數(shù)值模擬手段，研究渣土荷載對運煤鐵路西寨隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景

晉陽高速改擴建工程北留收費站建設過程中產(chǎn)生大量棄土，需通過渣土車運至杏王棄土場，途徑陽電專用運煤鐵路西寨隧道，如圖1所示。經(jīng)測量，渣土運輸便道位于隧道上方6.16 m 處，便道邊緣距隧道西洞口約29.8 m，便道寬6 m，如圖2所示。

圖1 運輸便道與隧道相對位置關系

圖2 運輸便道示意圖（單位：m）

西寨隧道建于1997年，全長297 m，洞口采用直墻式襯砌，其中頂部拱圈為變厚度截面，拱頂處薄、拱腳處厚。西洞口直墻式襯砌段長33 m，洞身采用曲墻式襯砌長239 m，如圖3所示。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，因年久失修襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的劣化，局部段落襯砌結(jié)構(gòu)存在裂損、滲漏水等情況，如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場回彈試驗，推測襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強度等級為C30。

圖3 隧道洞身曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)

圖4 洞內(nèi)襯砌裂損及滲漏水情況

2 安全性評價模型

由于隧道修建年代久遠，未搜集到相關施工圖紙，通過現(xiàn)場調(diào)研、測量并參考相關規(guī)范[4]確定了西寨隧道的結(jié)構(gòu)尺寸。為評價渣土荷載作用下西寨隧道的安全性，建立了西寨隧道三維安全性評價模型。為消除邊界效應的影響，根據(jù)圣維南原理，模型左右邊界到隧道中心的距離宜大于5 倍洞徑，取為28 m；模型下邊界到隧道底部的距離宜大于3 倍洞徑，取為26 m；模型沿隧道縱向長度為53 m，其中直墻式襯砌33 m，曲墻式襯砌20 m。

采用四面體網(wǎng)格離散隧道三維安全性評價模型，離散后共計1 377 168 個單元，如圖5所示。分析中圍巖采用德魯克-普拉格Drucker-Prager（D-P）屈服準則，該準則能較好地描述圍巖的非線性受力與變形特性；鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)。

圖5 三維安全性評價模型和支護結(jié)構(gòu)模型

計算分析中考慮圍巖和結(jié)構(gòu)自重等永久荷載，不考慮構(gòu)造應力的影響；約束模型左右邊界水平方向（隧道橫斷面）位移；在模型底部約束豎直方向位移；在模型前邊界洞口端的仰拱以下約束隧道縱向位移；為模擬隧道縱向平面應變問題，在模型后邊界的曲墻端約束隧道縱向位移。

3 相關計算參數(shù)和荷載施加

計算采用的相關參數(shù)如表1所示，其中鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的等效彈性模量按式（1）計算：

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)相關參數(shù)

式中：E為等效彈性模量；E1為鋼筋彈性模量；E2為混凝土彈性模量；A1、A2分別為單位面積A內(nèi)鋼筋面積和混凝土面積，A=A1+A2。

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)場渣土運輸車為德龍牌X3000型，如圖6所示。根據(jù)《公路工程技術標準》（JTG B01—2014），車輛對路面的荷載全部通過后橋作用于路面，計算分析中輪胎接地面積采用矩形等效[5]，如圖7所示。

圖6 現(xiàn)場運輸渣土車

圖7 矩形均布荷載作用面尺寸（單位：cm）

將總重量施加到8 個車輪上得到等效均布荷載P1，按式（2）計算。

式中：P1為等效均布荷載，MPa；M為總重量，t；g 為重力加速度，取10 m∕s2。為描述行車過程中動荷載對路面的影響，通常用沖擊系數(shù)聯(lián)系動荷載與靜荷載。一般情況下行車速度不超過50 km∕h 時，沖擊系數(shù)不超過1.3，該計算分析中按1.3 考慮。不同尺寸車型的等效均布荷載和施加均布荷載計算結(jié)果如表2所示。

為評價最不利工況，假設同時有兩輛貨箱長為5.8 m的渣土車并行通過隧道上方，間距為1 m，施加的均布荷載P2如圖8所示。因模型網(wǎng)格尺寸和輪胎接地面積尺寸的差異較大，該次評價中采用表2 所列型號3 將2.04 MPa 的均布荷載施加在車身投影面積上。

圖8 等效的均布荷載（單位：m）

4 計算結(jié)果分析

4.1 渣土荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)應力

渣土運輸荷載作用下，沿隧道縱向襯砌結(jié)構(gòu)整體受彎，上部承壓，下部受拉。直墻式襯砌與曲墻式襯砌交界處，因斷面形式不同，易形成應力集中。為便于對比分析渣土荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)應力，在直墻式襯砌橫斷面上布置3 個觀測點，分別為拱頂、拱肩、直墻與曲墻交界處，如圖9 中1、2、3 點；在曲墻式襯砌橫斷面上布置4 個觀測點，分別為拱頂、拱肩、仰拱和直墻與曲墻交界處，如圖9 中4、5、6、7 點。

圖9 隧道襯砌結(jié)構(gòu)上布置的觀測點

隧道襯砌結(jié)構(gòu)的von Mises 應力分布情況如圖10所示，最大壓應力在拱頂，大小為2.05 MPa，遠小于C30混凝土極限抗壓強度[6]。圖11 和圖12 分別給出了直墻式和曲墻式襯砌的拉應力分布云圖，最大拉應力均位于直墻與曲墻交界處，大小分別為2.34 MPa 和2.40 MPa，最大拉應力均略大于C30混凝土極限抗拉強度。但除局部應力集中外，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體拉應力小于1 MPa，遠小于C30 混凝土的極限抗拉強度。

圖11 直墻式襯砌拉應力分布云圖

圖12 曲墻式襯砌拉應力分布云圖

隧道襯砌結(jié)構(gòu)關鍵部位的應力統(tǒng)計結(jié)果見表3，分析結(jié)果表明：隧道襯砌結(jié)構(gòu)關鍵部位的壓應力小于C30 混凝土的極限抗壓強度。觀測點3 和7 附近，隧道直墻和曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)的局部拉應力略大于C30 混凝土的極限抗拉強度；拱頂局部拉應力約為1.8 MPa，其余部位的拉應力不超過1 MPa，均小于C30 混凝土的極限抗拉強度。說明渣土荷載作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的拉壓強度均滿足安全性要求。

表3 襯砌結(jié)構(gòu)觀測點的應力值 單位：MPa

4.2 渣土荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形

為分析渣土荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形，圖13 和14 分別展示了渣土荷載作用下直墻式襯砌豎直方向和沿隧道縱向的位移分布云圖。直墻式襯砌拱頂沉降量最大，為5.29 mm；因受到擠壓變形，隧道洞門向外傾斜，最大傾斜量為0.73 mm。圖15 給出了渣土荷載作用下曲墻式襯砌豎直方向的位移分布云圖，拱頂沉降量最大，同樣為5.29 mm。

圖13 直墻式襯砌豎直方向位移分布

圖14 直墻式襯砌沿隧道縱向位移分布

圖15 曲墻式襯砌豎直方向的位移分布

隧道襯砌結(jié)構(gòu)關鍵部位的變形統(tǒng)計結(jié)果見表4，分析結(jié)果表明：渣土荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降自上而下逐漸減小，拱頂沉降量最大為5.29 mm；因渣土荷載對洞門的擠壓作用，洞門向外傾，自上而下傾斜量降低，最大外傾量不到1 mm。說明渣土荷載對隧道襯砌沉降和水平變形的影響較小，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足要求。

表4 襯砌結(jié)構(gòu)觀測點的變形量 單位：mm

5 結(jié)論與建議

為評價渣土荷載作用下西寨隧道的安全性，在假定隧道施工質(zhì)量符合設計要求和相關規(guī)范的基礎上，選取最不利工況，按1∶1 建立有限元計算模型，分析了渣土荷載作用下西寨隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應力和變形，相關結(jié)論與建議如下：

a）渣土荷載作用下，西寨隧道襯砌結(jié)構(gòu)沿縱向呈受彎狀態(tài)，頂部受壓、底部受拉。襯砌最大壓應力位于拱頂為2.05 MPa；除局部應力集中外，隧道襯砌整體拉應力小于1 MPa，說明渣土荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)拉壓強度均滿足安全性要求。

b）渣土荷載作用下，西寨隧道襯砌沉降自上而下逐漸減小，拱頂沉降量最大為5.29 mm；洞門向外傾斜，自上而下傾斜量降低，最大傾斜量小于1 mm，說明渣土荷載襯砌沉降和水平變形影響較小，襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

c）由于隧道修建年代較早，目前襯砌結(jié)構(gòu)存在不同程度的劣損，建議施工單位委托第三方單位對隧道地表和襯砌結(jié)構(gòu)變形等進行監(jiān)測，同時加強對渣土運輸車輛的組織管理，盡量避免兩輛渣土車并行通過隧道上方。