地形偏壓連拱隧道襯砌內(nèi)力研究

董昌周,曲 晨

(浙江科技學院建筑工程學院,杭州310023)

由于連拱隧道的結(jié)構(gòu)特殊性,在設(shè)計和施工中出現(xiàn)新的技術(shù)問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)[1-7],連拱隧道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害主要是隧道裂縫和滲漏水,襯砌病害在隧道洞口段比隧道洞身段嚴重,中墻比邊墻嚴重,而且問題最多的是中墻頂部與拱部的連接處。其主要原因除了施工因素外,還與連拱隧道的偏壓狀態(tài)有著顯著相關(guān)性,往往是洞口段的偏壓比洞身段嚴重,中墻結(jié)構(gòu)作為連拱隧道受力的薄弱部位,在偏壓作用下容易開裂。

在地形偏壓條件下連拱隧道襯砌內(nèi)力分布和圍巖穩(wěn)定性方面,許多學者采用數(shù)值模擬手段對其進行了研究,通過比較襯砌內(nèi)力和圍巖穩(wěn)定性研究2個主洞的合理開挖順序,以及中導洞、三導洞2種開挖方案的適應性。夏才初、劉金磊[8]采用有限元程序和荷載-結(jié)構(gòu)模式對福泉高速公路相思嶺雙連拱隧道結(jié)構(gòu)進行了二維分析,得出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大小與彈性抗力系數(shù)的取值大小密切相關(guān)的結(jié)論。楊建民[9]采用ARCZ有限元程序?qū)⑷f梁高速公路金竹林雙連拱隧道結(jié)構(gòu)簡化成直桿桿系結(jié)構(gòu),用矩陣位移法進行了二維分析,得出了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移和安全度。然而,地形偏壓作用下連拱隧道結(jié)構(gòu)的受力機理和圍巖穩(wěn)定性還不是十分清楚,有待進一步深入研究。本研究在前人工作的基礎(chǔ)上,以偏壓連拱隧道為研究對象,進行室內(nèi)相似模型試驗和數(shù)值模擬,對偏壓連拱隧道的襯砌內(nèi)力及變化趨勢進行了分析與驗證。

1 模型試驗

1∶20尺寸比例的模型試驗具體過程參見文獻[10],從表1可以看出,連拱隧道對應特征部位存在明顯的受力不對稱。左右洞室襯砌都受壓力,軸力隨著隧道上覆荷載的增加而增大,左洞最大軸力值分布于仰拱和邊墻的結(jié)合部位;右洞最大軸力值分布于靠近中墻的左拱腰,見圖1。從彎矩圖可以看出,左右洞室有明顯的被壓扁的趨勢,左洞最大彎矩分布于左、右拱腰和拱底,只是左、右拱腰外側(cè)受拉,而拱底是洞室內(nèi)側(cè)受拉;右洞最大彎矩分布于左拱腰,左、右拱腰外側(cè)受拉,而拱頂和拱底都是洞室內(nèi)側(cè)受拉,見圖2。

表1 不同載荷下襯砌內(nèi)力Table1 Lining force under different loads

2 數(shù)值模擬

使用二維ANSYS軟件進行模擬。根據(jù)隧道的結(jié)構(gòu)形式和地質(zhì)條件,對模型進行適當簡化,計算中采用理想彈塑性材料,屈服準則采用Drucker-Prager屈服準則,隧道圍巖材料的力學參數(shù)采用實測值,見表2。在計算過程中,圍巖采用PLANE42實體單元,襯砌采用BEAM3單元。模型左、右邊界水平方向約束,底面加固定支座以約束所有自由度,地表為自由面。模型尺寸按照物理模型實驗,隧道位于原始應力場見圖3,其網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

表2 材料物理力學參數(shù)Table2 Physical and mechanical parameters of material

2.1 襯砌內(nèi)力分布規(guī)律分析

圖5是2種方法在加豎向荷載150 k N時得到的襯砌內(nèi)力分布圖。從內(nèi)力圖可看出,模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定程度的偏差,但襯砌的軸力和彎矩變化規(guī)律基本一致。

圖5 襯砌內(nèi)力對比圖Fig.5 Comparison of lining internal force

2.2 模型試驗破壞現(xiàn)象數(shù)值分析

從偏壓連拱隧道模型試驗的破壞過程看,兩洞拱頂處出現(xiàn)較多的裂縫,裂縫的擴展繼而引起整個圍巖體的開裂,如圖6所示。巖體的開裂從圖7最大荷載下應力矢量圖可以看出,洞室周圍圍巖體的開裂處出現(xiàn)較多的拉壓應力。圖8是圍巖體坡度面上巖體出現(xiàn)魚鱗狀的破碎,這主要是整個連拱隧道向坡度方向外滑移所引起的,因此,在設(shè)計與施工時要考慮邊坡的穩(wěn)定性,如圖9所示。

3 結(jié) 語

通過1∶20尺寸比例的模型試驗和有限元數(shù)值分析,可以得到以下幾點:

1)在不同荷載下,左、右洞室襯砌都受壓力,而且壓力隨著隧道上覆荷載的增大而增大,左洞最大軸力值分布于仰拱和邊墻的結(jié)合部位;右洞最大軸力值分布于靠近中墻的左拱腰。實驗過程中,左右洞室有被壓扁的趨勢,左洞最大彎矩分布于左、右拱腰和拱底;右洞最大彎矩分布于左拱腰。隨著荷載的增加,左洞洞頂豎向位移變化不大,右洞洞頂豎向位移成線性增大。

2)在地形偏壓作用下,連拱隧道整體向淺埋側(cè)移位,淺埋側(cè)和深埋側(cè)的圍巖出現(xiàn)被動壓力和主動壓力作用,淺埋側(cè)隧道的拱頂豎向應力小于深埋側(cè)。

3)模型試驗與數(shù)值計算結(jié)果可能存在一定程度的偏差,但從內(nèi)力對比圖上可以看出,襯砌的軸力和彎矩變化規(guī)律基本一致。

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