关于隧道结构安全性能的研究分析

祖大波
摘要：在地下工程结构分析中,人们常用传统的单一安全系数法,由于该方法不能考虑结构各参变量客观存在的随机特征,而存在诸多自身不能克服的弊端,本文选取对隧道稳定性影响较大的病害之一----空洞作为分析对象，基于隧道衬砌后空洞对结构安全影响的模型试验，利用岩土隧道分析有限元软件MIDAS(GTS)进行数值分析，研究空洞在拱肩、边墙、拱脚以及拱底等不同位置对隧道衬砌的力学行为的影响。通过对衬砌轴力和弯矩的分析，得出不同位置的空洞都会影响衬砌结构的安全性能，衬砌的应变值随着荷载的增大而增大，而且存在空洞的位置极易引起应力集中，衬砌破坏较为明显。
关键词：隧道；结构；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

中图分类号：TB482.2    文献标识码：A     文章编号：

    本文以某隧道为工程背景，结合隧道衬砌后空洞对结构稳定性影响的模型试验结果，运用岩土隧道分析有限元软件MIDAS软件进行有限元数值模拟，详细分析了不同位置的空洞对衬砌结构受力特点以及结构性能的变化，研究成果有助于准确把握空洞对隧道衬砌结构安全的影响，为综合评价隧道结构安全性提供可靠依据。
    l 工程概况
    某隧道呈北西走向，左线长3 525 m，右线长3 508．89 mm，属特长隧道，采用分离式隧道结构形式。隧道主洞建筑限界净宽10．75 m，净高5．0 m，检修道净高2．5 m，道路两侧设有宽0．75 m，高30 cm的人行道。设计采用复合式衬砌，初期支护由系统锚杆、单层钢筋网、喷射混凝土、工字钢钢拱架组成，结合超前小导管，导管采用Ф42×3．5热轧钢管，模筑钢筋混凝土作为二次衬砌。初衬采用C25喷射混凝土，厚度为25 cm，L20b型钢拱架间距为100 cm，二次衬砌采用C25钢筋混凝土，厚度为45 cm。
    地貌以侵蚀构造类型为主，山坡陡峭，山脊狭窄，局部岩石裸露，部分路段围岩软弱，夹泥带、破碎带及小断层多，围岩等级为Ⅳ级，进出口围岩稳定性稍差。但是在隧道施工中地质调查结果与实际地质情况有出入，导致多次塌方，对隧道的稳定性造成严重的影响。
2 模型试验与分析
试验的目的主要是根据某隧道的地貌情况及不同位置出现空洞对隧道衬砌的结构安全的影响与分析。模型尺寸为600 mm×600 mm×100mm，模型的几何相似比取1／90，故隧道尺寸为：跨度为121 mm，洞高为108 mm，直墙高为37 mm，材料选用的是石膏、水泥为胶结材料来模拟石英岩。试验模型分为5种工况，分别是空洞位于拱顶、拱腰、边墙、拱脚和拱底，共5个模型。
将制作好的试块模型粘贴上应变片的电阻丝以及相应的数据线之后，直立于台架上，采用油压千斤顶加载模拟竖向荷载及水平荷载。实验时，首先进行预压，尽可能减少模型与垫块之间、垫块与实验台架之间、量测仪器探头与模型之问的孔隙，保证实验的稳定性和准确性，然后进行正式加载，每级荷载施加完毕后保持该荷载3～5 min，记录关键点的测量数据后再施加下一级荷载。其中将拱顶、拱肩、拱脚和拱底作为关键点，每个关键点分别安装3个方向的数据输出线，观测它们的应变随荷载的变化以及模型的破坏情况[4] ，图1是拱肩有空洞时，关键点拱底、拱脚、拱顶、拱肩、边墙的应变值随荷载的变化曲线。

图1 空洞位于拱肩时荷载一应变曲线
    通过试验结果分析可了解到，隧道衬砌背后不同部位出现空洞，均对衬砌的安全系数有影响。随着荷载的增加，关键点的应变值都呈现上升趋势，符合常规的理论。而且对比不同位置的空洞，隧道模型的破坏规律也略有差别，当空洞在拱肩位置时，随着荷载的增加，首先会在衬砌有空洞的部位出现裂纹，随着荷载增大裂缝贯通导致破坏，但是其他工况的隧道一般首先会在拱底部位发生裂纹，接着两侧边缘出现裂纹，最后随着荷载继续增加导致破坏。比较拱顶、拱腰、拱脚存在空洞时对截面应变随荷载的变化可知，空洞位置从左侧拱顶移到拱腰、拱脚后，左侧仰拱的应变随荷载的变化较明显，而拱顶与对侧衬砌影响程度较小，说明随空洞位置下移，受影响区域位置也向下侧移动，且病害危害程度也逐渐增大[5-6]。
3 计算模型
    3．1 模型的建立
    为了更有力的验证空洞对隧道工程造成危害的严重性，本文基于已有的实验模型结果，应用有限元软件MIDAS对试验试块进行了模拟分析。本次研究建立二维的平面应变分析模型。计算模型的尺寸与室内试验模型相同，并且分别对衬砌背后存在不同位置的空洞的情况进行了分析。建立模型围岩和衬砌参数，如表1所示。围岩的本构关系采用Mohr— Coulomb模型，为连续弹塑性体，网格划分采用四边形平面单元，用实体单元模拟隧道周围的围岩地层，梁单元来模拟隧道衬砌。隧道边界条件为模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，不受任何约束。通过划分的施工段不同，逐级加载荷载，模拟实验加荷载的过程。建立的模型如图2
表1 数值模拟的计算参数

图2 平面计算模型
    3．2 数值模拟结果分析通过数值分析，可得到用梁单元模拟的衬砌的弯矩和轴力[7-10]。
3．2．1 拱顶背后出现空洞
当空洞位于衬砌拱顶上方时，衬砌结构受力存在如下规律。
图3、图4拱顶背后出现空洞时，由5个关键点的安全系数变化曲线可以看出，在竖向压力为主的应力场作用下，衬砌拱脚处最大正弯矩值为1．25kN.m，仰拱的两侧出现较大的弯矩，衬砌轴力最大值(122．64 kN)出现在拱脚。正是在这些受力最严重的区域，病害产生最早这与实验模型结果一致，左侧的边墙、拱脚以及仰拱左侧处最早发生病害。

图3 拱顶背后存在空洞时衬砌的轴力
    3．2．2 空洞位于拱肩背后
当空洞位于衬砌拱肩背后时，衬砌结构受力存在如下规律。
在竖向压力为主的应力场作用下，衬砌的右边墙和左侧拱脚处分布最大弯矩值为2．89 kN·m，衬砌两侧内侧受拉，拱顶出现最大正弯矩值为2．O3kN·ITI，衬砌轴力最大值(207．20 kN)出现在拱脚处。如图5、图6所示，拱底和拱顶均为空洞病害集中的区域。试验模拟结果显示拱脚有空洞时，在有空洞的位置也首先出现了裂缝。

图4 拱顶背后存在空洞时衬砌的弯矩

图5 拱肩背后存在空洞时衬砌的轴力

图6 拱肩背后存在空洞时衬砌的弯矩图
    3．2．3 空洞位于拱脚
当空洞位于衬砌拱脚部位时，衬砌结构受力存在如下规律。
如图7、图8所示，在竖向压力为主的应力场作用下，衬砌拱脚处最大正弯矩值为3．30 kN·m，拱顶上侧也受拉，但是弯矩值没有边墙两侧的大，衬砌轴力在拱脚达最大值(274．42 kN)。由于拱脚本来就是一个危险的位置，所以当在这里有空洞的时候，衬砌下侧受拉更为严重，承载能力急剧下降。

图7 拱脚背后存在空洞时衬砌的轴力图

图8 拱脚背后存在空洞时衬砌的弯矩图
    通过以上仿真模拟以及与模型试验结果的对比分析，试验结果与数值模拟分析大致相似，应变值随荷载的变化趋势，以及受力最大的位置基本相同。各点的应变值随着荷载的增大而增大，变化趋势基本一致。但是总体来讲，空洞位于隧道不同位置，衬砌的结构安全性均受到较大的影响，在工程中应尽量避免，所以本文不仅具有理论意义，还具有重要的工程意义[11]。
    4 结论
    通过对衬砌背后不同位置空洞的数值模拟分析，可以得出下面的结论：
    (1)当拱顶背后出现空洞时，对拱顶衬砌的内力影响最大；当拱肩背后出现空洞时，对拱肩、相邻侧的拱脚及拱顶衬砌的内力有影响，试验结果显示拱肩位置随着竖向荷载的变化会首先出现裂缝，而且模拟结果的弯矩变化较快；当拱脚背后出现空洞时，对拱脚、拱顶及侧墙衬砌的内力也有影响。所以，总体来讲，随着空洞位置的下移，衬砌的破坏也有下移的趋势，而且通过数值模拟的结果也间接验证了模型试验分析是合理的。
    (2)空洞是隧道施工中比较容易出现的病害之，当不同部位的衬砌受力发生改变时，还将衍生出其他病害，如：空洞使衬砌裂损，进而起层、掉块，这些情况对隧道安全运营及人生安全有着很大的危害。
    (3)本文仅对隧道衬砌背后出现不同位置的空洞做了分析，而影响隧道衬砌稳定性的因素还包括裂损、渗漏水、强度降低等因素，在这些病害综合作用下时对隧道支护结构的影响还需要进行更深入的研究和分析。