拱顶存在空洞隧道衬砌受力性能数值分析.pdfVIP

拱顶存在空洞的隧道衬砌受力性能数值分析 彭念1 张永兴1 赵伟2廖志军3李中海4 (1．重庆大学，重庆400045；2．中交第二航务工程勘测设计院有限公司，武汉430071；3．重庆南涪公路发展有限公司， 重庆400060；4．广安市公路勘察设计院，广安638000) 摘要：本文以八一、向阳隧道为工程背景，运用二维弹塑性有限元方法对拱顶有空洞以及没有空洞的隧道衬砌 结构的受力性能进行了对比分析。研究结果表明：由于空洞的存在改变了衬砌结构原有的受力状态，拱顶有空洞的隧 道衬砌拱顶下缘受压，拱腰处衬砌下缘受拉；而拱顶没有空洞的隧道衬砌受力则相反。 关键词：隧道衬砌；空洞；--维弹塑性有限元；受力性能 向阳隧道建成于1976年。隧道全长537m， 1 引言 净宽8．5m，净高5．5m，侧墙高2．5rn。衬砌端 面为直墙等截面半圆拱，其拱圈内缘半径为 4．50 山地、丘陵和高原约占我国面积的70％，随 m，矢跨比为0．5。 着公路建设的发展，特别是近几年高速公路的快 两隧道从建成运营至今已有数十年，目前 速发展，不可避免的会兴建大量的隧道，这些隧 “八一”隧道出现了较为严重的病害，主要表现 道在施工过程中可能出现拱背回填不密实的情 为施工缝浸渗、滴漏、拱壁裂缝、拱顶掉块等，其 况，再加之随着环境条件的改变隧道在运营过程 中里程桩号210—350段拱壁裂缝非常发育，长 中空洞现象可能会进一步加剧，其结果是：一方 度1～14m，缝宽l一8mm，以张拉裂缝为主，无 面隧道的围岩受力特性会发生显著的变化¨01； 明显错位，拱腰纵向裂缝较发育，局部地段有斜 另一方面隧道衬砌的受力性态会发生很大的改 向裂缝，环向裂缝较少，裂缝间未贯通，无网状开 变，随着时间的累积，隧道会出现不同程度的病 裂；210—105段拱顶剥落掉块严重，最严重地方 害，譬如开裂，渗水，局部掉块等现象，给正常的 掉块长达150cm，宽50em，深达30cm；浸渗和 公路运营造成较大的安全隐患。对于前者已有 滴漏主要出现在施工缝。向阳隧道相对完好1。 学者做过研究，本文主要探讨空洞对隧道衬砌结 构受力性能的影响。 3计算模型与计算参数的选取 为了准确评价空洞对隧道衬砌结构受力性 能的影响，本文采用二维有限元数值分析方法， 3．1计算模型的建立 对八一隧道拱顶存在空洞和不存在空洞的两种 情况进行了对比分析，得出了较为有益的结论。 图1、图2是八一、向阳隧道与围岩复合体的 二维有限元模型单元划分(图中左右两边分别是 2 向阳、八一隧道工程概况 八一隧道和向阳隧道)。八一、向阳隧道拱部衬 砌采用梁单元(Beam3)；岩土体亦采用平面应变 重庆市八一、向阳隧道是连接牛角沱与菜园 单元(plane82)。分析时，利用单元的生死特性 J。 坝火车站的重要基础设施，八一隧道建成于 对隧道开挖以及空洞进行模拟H．5 1986年。隧道全长568．63m，净宽11．0m，净高 围岩的几何尺寸在各个方向上均取拱台尺 6．85 nrl，侧墙高4m。衬砌端面形状为直墙等截 寸的3倍，假定在更远处的围岩受到荷载作用的 面拱，矢跨比约为0．25。