祖大波
摘要：在地下工程結(jié)構(gòu)分析中,人們常用傳統(tǒng)的單一安全系數(shù)法,由于該方法不能考慮結(jié)構(gòu)各參變量客觀存在的隨機(jī)特征,而存在諸多自身不能克服的弊端,本文選取對隧道穩(wěn)定性影響較大的病害之一----空洞作為分析對象，基于隧道襯砌后空洞對結(jié)構(gòu)安全影響的模型試驗，利用巖土隧道分析有限元軟件MIDAS(GTS)進(jìn)行數(shù)值分析，研究空洞在拱肩、邊墻、拱腳以及拱底等不同位置對隧道襯砌的力學(xué)行為的影響。通過對襯砌軸力和彎矩的分析，得出不同位置的空洞都會影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全性能，襯砌的應(yīng)變值隨著荷載的增大而增大，而且存在空洞的位置極易引起應(yīng)力集中，襯砌破壞較為明顯。
關(guān)鍵詞：隧道；結(jié)構(gòu)；分析
Abstract: in the underground engineering structure analysis, people often used the traditional and single safety coefficient method, as the method can not consider structure parameter of the objective existence random characteristics, and there are many itself can't overcome the disadvantages of, in this paper, the stability of the tunnel influencing the disease, one of the empty as analysis object, based on the tunnel lining for the safety of the structure after empty the influence of model test, the use of geotechnical tunnel analysis finite element software MIDAS (GTS) numerical analysis, the empty in the arch shoulder, side-wall, arch feet and the bottom of the arch tunnel lining different positions on the mechanical behavior of influence. Through the axial force of lining and the analysis of the moment, it is concluded that the different positions of empty will influence the safety performance of the lining structure, lining of strain value as the load increases and increase, and the position of the cavity exists in easily stress concentration, the lining damage is obvious.
Keywords: tunnel; Structure; analysis


中圖分類號：TB482.2    文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A     文章編號：

    本文以某隧道為工程背景，結(jié)合隧道襯砌后空洞對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的模型試驗結(jié)果，運用巖土隧道分析有限元軟件MIDAS軟件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了不同位置的空洞對襯砌結(jié)構(gòu)受力特點以及結(jié)構(gòu)性能的變化，研究成果有助于準(zhǔn)確把握空洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，為綜合評價隧道結(jié)構(gòu)安全性提供可靠依據(jù)。
    l 工程概況
    某隧道呈北西走向，左線長3 525 m，右線長3 508．89 mm，屬特長隧道，采用分離式隧道結(jié)構(gòu)形式。隧道主洞建筑限界凈寬10．75 m，凈高5．0 m，檢修道凈高2．5 m，道路兩側(cè)設(shè)有寬0．75 m，高30 cm的人行道。設(shè)計采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)由系統(tǒng)錨桿、單層鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字鋼鋼拱架組成，結(jié)合超前小導(dǎo)管，導(dǎo)管采用Ф42×3．5熱軋鋼管，模筑鋼筋混凝土作為二次襯砌。初襯采用C25噴射混凝土，厚度為25 cm，L20b型鋼拱架間距為100 cm，二次襯砌采用C25鋼筋混凝土，厚度為45 cm。
    地貌以侵蝕構(gòu)造類型為主，山坡陡峭，山脊狹窄，局部巖石裸露，部分路段圍巖軟弱，夾泥帶、破碎帶及小斷層多，圍巖等級為Ⅳ級，進(jìn)出口圍巖穩(wěn)定性稍差。但是在隧道施工中地質(zhì)調(diào)查結(jié)果與實際地質(zhì)情況有出入，導(dǎo)致多次塌方，對隧道的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。
2 模型試驗與分析
試驗的目的主要是根據(jù)某隧道的地貌情況及不同位置出現(xiàn)空洞對隧道襯砌的結(jié)構(gòu)安全的影響與分析。模型尺寸為600 mm×600 mm×100mm，模型的幾何相似比取1／90，故隧道尺寸為：跨度為121 mm，洞高為108 mm，直墻高為37 mm，材料選用的是石膏、水泥為膠結(jié)材料來模擬石英巖。試驗?zāi)Ｐ头譃?種工況，分別是空洞位于拱頂、拱腰、邊墻、拱腳和拱底，共5個模型。
將制作好的試塊模型粘貼上應(yīng)變片的電阻絲以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)線之后，直立于臺架上，采用油壓千斤頂加載模擬豎向荷載及水平荷載。實驗時，首先進(jìn)行預(yù)壓，盡可能減少模型與墊塊之間、墊塊與實驗臺架之間、量測儀器探頭與模型之問的孔隙，保證實驗的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，然后進(jìn)行正式加載，每級荷載施加完畢后保持該荷載3～5 min，記錄關(guān)鍵點的測量數(shù)據(jù)后再施加下一級荷載。其中將拱頂、拱肩、拱腳和拱底作為關(guān)鍵點，每個關(guān)鍵點分別安裝3個方向的數(shù)據(jù)輸出線，觀測它們的應(yīng)變隨荷載的變化以及模型的破壞情況[4] ，圖1是拱肩有空洞時，關(guān)鍵點拱底、拱腳、拱頂、拱肩、邊墻的應(yīng)變值隨荷載的變化曲線。

圖1 空洞位于拱肩時荷載一應(yīng)變曲線
    通過試驗結(jié)果分析可了解到，隧道襯砌背后不同部位出現(xiàn)空洞，均對襯砌的安全系數(shù)有影響。隨著荷載的增加，關(guān)鍵點的應(yīng)變值都呈現(xiàn)上升趨勢，符合常規(guī)的理論。而且對比不同位置的空洞，隧道模型的破壞規(guī)律也略有差別，當(dāng)空洞在拱肩位置時，隨著荷載的增加，首先會在襯砌有空洞的部位出現(xiàn)裂紋，隨著荷載增大裂縫貫通導(dǎo)致破壞，但是其他工況的隧道一般首先會在拱底部位發(fā)生裂紋，接著兩側(cè)邊緣出現(xiàn)裂紋，最后隨著荷載繼續(xù)增加導(dǎo)致破壞。比較拱頂、拱腰、拱腳存在空洞時對截面應(yīng)變隨荷載的變化可知，空洞位置從左側(cè)拱頂移到拱腰、拱腳后，左側(cè)仰拱的應(yīng)變隨荷載的變化較明顯，而拱頂與對側(cè)襯砌影響程度較小，說明隨空洞位置下移，受影響區(qū)域位置也向下側(cè)移動，且病害危害程度也逐漸增大[5-6]。
3 計算模型
    3．1 模型的建立
    為了更有力的驗證空洞對隧道工程造成危害的嚴(yán)重性，本文基于已有的實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果，應(yīng)用有限元軟件MIDAS對試驗試塊進(jìn)行了模擬分析。本次研究建立二維的平面應(yīng)變分析模型。計算模型的尺寸與室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ拖嗤�，并且分別對襯砌背后存在不同位置的空洞的情況進(jìn)行了分析。建立模型圍巖和襯砌參數(shù)，如表1所示。圍巖的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr— Coulomb模型，為連續(xù)彈塑性體，網(wǎng)格劃分采用四邊形平面單元，用實體單元模擬隧道周圍的圍巖地層，梁單元來模擬隧道襯砌。隧道邊界條件為模型左、右和下部邊界均施加法向約束，上部為自由邊界，不受任何約束。通過劃分的施工段不同，逐級加載荷載，模擬實驗加荷載的過程。建立的模型如圖2
表1 數(shù)值模擬的計算參數(shù)


圖2 平面計算模型
    3．2 數(shù)值模擬結(jié)果分析通過數(shù)值分析，可得到用梁單元模擬的襯砌的彎矩和軸力[7-10]。
3．2．1 拱頂背后出現(xiàn)空洞
當(dāng)空洞位于襯砌拱頂上方時，襯砌結(jié)構(gòu)受力存在如下規(guī)律。
圖3、圖4拱頂背后出現(xiàn)空洞時，由5個關(guān)鍵點的安全系數(shù)變化曲線可以看出，在豎向壓力為主的應(yīng)力場作用下，襯砌拱腳處最大正彎矩值為1．25kN.m，仰拱的兩側(cè)出現(xiàn)較大的彎矩，襯砌軸力最大值(122．64 kN)出現(xiàn)在拱腳。正是在這些受力最嚴(yán)重的區(qū)域，病害產(chǎn)生最早這與實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果一致，左側(cè)的邊墻、拱腳以及仰拱左側(cè)處最早發(fā)生病害。

圖3 拱頂背后存在空洞時襯砌的軸力
    3．2．2 空洞位于拱肩背后
當(dāng)空洞位于襯砌拱肩背后時，襯砌結(jié)構(gòu)受力存在如下規(guī)律。
在豎向壓力為主的應(yīng)力場作用下，襯砌的右邊墻和左側(cè)拱腳處分布最大彎矩值為2．89 kN·m，襯砌兩側(cè)內(nèi)側(cè)受拉，拱頂出現(xiàn)最大正彎矩值為2．O3kN·ITI，襯砌軸力最大值(207．20 kN)出現(xiàn)在拱腳處。如圖5、圖6所示，拱底和拱頂均為空洞病害集中的區(qū)域。試驗?zāi)�擬結(jié)果顯示拱腳有空洞時，在有空洞的位置也首先出現(xiàn)了裂縫。

圖4 拱頂背后存在空洞時襯砌的彎矩

圖5 拱肩背后存在空洞時襯砌的軸力

圖6 拱肩背后存在空洞時襯砌的彎矩圖
    3．2．3 空洞位于拱腳
當(dāng)空洞位于襯砌拱腳部位時，襯砌結(jié)構(gòu)受力存在如下規(guī)律。
如圖7、圖8所示，在豎向壓力為主的應(yīng)力場作用下，襯砌拱腳處最大正彎矩值為3．30 kN·m，拱頂上側(cè)也受拉，但是彎矩值沒有邊墻兩側(cè)的大，襯砌軸力在拱腳達(dá)最大值(274．42 kN)。由于拱腳本來就是一個危險的位置，所以當(dāng)在這里有空洞的時候，襯砌下側(cè)受拉更為嚴(yán)重，承載能力急劇下降。

圖7 拱腳背后存在空洞時襯砌的軸力圖

圖8 拱腳背后存在空洞時襯砌的彎矩圖
    通過以上仿真模擬以及與模型試驗結(jié)果的對比分析，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬分析大致相似，應(yīng)變值隨荷載的變化趨勢，以及受力最大的位置基本相同。各點的應(yīng)變值隨著荷載的增大而增大，變化趨勢基本一致。但是總體來講，空洞位于隧道不同位置，襯砌的結(jié)構(gòu)安全性均受到較大的影響，在工程中應(yīng)盡量避免，所以本文不僅具有理論意義，還具有重要的工程意義[11]。
    4 結(jié)論
    通過對襯砌背后不同位置空洞的數(shù)值模擬分析，可以得出下面的結(jié)論：
    (1)當(dāng)拱頂背后出現(xiàn)空洞時，對拱頂襯砌的內(nèi)力影響最大；當(dāng)拱肩背后出現(xiàn)空洞時，對拱肩、相鄰側(cè)的拱腳及拱頂襯砌的內(nèi)力有影響，試驗結(jié)果顯示拱肩位置隨著豎向荷載的變化會首先出現(xiàn)裂縫，而且模擬結(jié)果的彎矩變化較快；當(dāng)拱腳背后出現(xiàn)空洞時，對拱腳、拱頂及側(cè)墻襯砌的內(nèi)力也有影響。所以，總體來講，隨著空洞位置的下移，襯砌的破壞也有下移的趨勢，而且通過數(shù)值模擬的結(jié)果也間接驗證了模型試驗分析是合理的。
    (2)空洞是隧道施工中比較容易出現(xiàn)的病害之， 當(dāng)不同部位的襯砌受力發(fā)生改變時，還將衍生出其他病害，如：空洞使襯砌裂損，進(jìn)而起層、掉塊，這些情況對隧道安全運營及人生安全有著很大的危害。
    (3)本文僅對隧道襯砌背后出現(xiàn)不同位置的空洞做了分析，而影響隧道襯砌穩(wěn)定性的因素還包括裂損、滲漏水、強(qiáng)度降低等因素，在這些病害綜合作用下時對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響還需要進(jìn)行更深入的研究和分析。

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