舒家灣隧道結構安全計算分析

李 凱

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西太原 030032)

1 工程概況

舒家灣隧道出口ZK34+860～ZK34+830段為長度30 m，兩洞之間的距離為30 m。圍巖等級V級，很破碎，穩定性差，上下臺階法對本段進行開挖，支護結構設計采用Va型復合式襯砌，為了隧道結構的安全，現對隧道結構進行靜力計算，Va襯砌形式如圖1。

圖1 Va襯砌形式圖(單位:cm)

2 規范要求及檢算原理

根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)第9.2.4條規定，公路隧道襯砌計算驗算構件截面強度時，應根據不同的荷載組合，在計算中分別采用不同的安全系數。鋼筋混凝土結構的強度安全系數取值見表1。

表1 鋼筋混凝土結構的強度安全系數

《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)第9.2.6條規定，復合式襯砌中二襯在Ⅴ級圍巖中作為主要承載結構，考慮到侵限段變形已基本穩定，假定二襯承擔60%的圍巖壓力。分別采用地層結構法和荷載結構法計算二襯結構受力，獲得二次襯砌的軸力和彎矩后，通過與襯砌結構構件截面強度設計值進行比較，可計算得出襯砌的安全系數。

對于鋼筋混凝土襯砌結構，按公路隧道設計規范要求，大偏心(x≤0.55h0)受壓構件，其截面強度可按下列公式計算，計算簡圖如圖2、圖3。

圖2 鋼筋混凝土大偏心受壓構件截面強度計算圖

圖3 鋼筋混凝土小偏心受壓構件截面強度計算圖

此時，中性軸的位置按下式確定:

當軸向力N作用于鋼筋Ag與A′g的重心之間時，式中的左邊第二項取正號;當N作用于鋼筋Ag與A′g的重心之外時，則取負號。

對于小偏心(x＞0.55h0)受壓襯砌構件，其截面強度可按下列公式計算:

式中，Rw為混凝土彎曲抗壓極限強度，Rw=1.25Ra，MPa;Rg為鋼筋抗拉或抗壓計算強度標準值，MPa，φ 22和φ 25 HRB335鋼筋取為335 MPa;Ag、A′g為受拉和受壓區鋼筋的截面面積，m2;h0為截面有效高度，m，h0=h－a;e為鋼筋Ag的重心至軸向力作用點的距離，m;a、a′為自鋼筋Ag的A′g重心分別至截面最近邊緣的距離，m;x為受壓區高度，m。ξb為相對界限受壓區高度，ξb=x/h0=0.8/［1+fstd/(0.003 32Es)］，fstd為鋼筋抗拉或抗壓強度設計值，HRB335鋼筋取為268 MPa，Es為鋼筋彈性模量，MPa，取為 210 GPa。

3 檢算方案

參照《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)規定，限于篇幅，以下只采用地層結構法進行檢算。

3.1 地層結構法

地層結構法是將襯砌和地層視為整體共同受力的統一體系，在滿足變形協調條件的前提下分別計算襯砌與地層的內力，據以驗算地層的穩定性和進行結構截面設計。本算例選用有限差分法進行計算。

3.1.1 模型建立

采用FLAC程序建立數值計算模型進行分析，計算模型高度取為45 m，寬度取為80 m。模型及邊界條件見圖4。

圖4 計算模型及邊界條件

在二維平面應變分析模型中，隧道圍巖假定為均質各向同性材料，采用彈塑性本構模型以及Mohr-Coulomb屈服準則進行非線性靜力分析。計算采用四邊形等參單元模擬圍巖，采用襯砌單元(Liner element)模擬隧道初襯。圍巖和初襯的具體幾何參數為實際設計和施工的數值，物理力學指標取經驗值，并參考規范得到，初襯中鋼拱架的作用采用等效方法，將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土。材料特性參數取值見表2。

表2 材料特性參數

計算時首先施加自重應力場，進行自重平衡，然后按照臺階法開挖模擬，根據施工情況，開挖后應力釋放20%，然后施作初襯，應力釋放20%，再施作二襯，釋放剩余60%應力，再次計算至平衡。

3.1.2 計算結果

圖5中計算所得二襯軸力及彎矩圖，將二襯軸力及彎矩最大值列于表3中。

圖5 二襯內力計算結果

表3 軸力彎矩最大值

3.1.3 安全系數計算

通過查閱相關規范，結合施工設計以及現場等相關資料，對于 C25混凝土，選取Ra=18.5 MPa，Rw=1.25Ra=23.1 MPa，Rg=335 MPa，b=1 m，h=0.33 m，保護層厚度c=0.04 m，配筋為 Φ20@25 cm，a=a′=c+d/2=0.051 m，h0=h－a=0.279 m，代入公式(1)～式(4)中，可以計算出二次襯砌各截面位置的強度設計值。

二襯安全系數計算結果見表4，限于文章篇幅，安全系數大于5.0的單元沒有列出來。

計算結果顯示，二襯最小安全系數為3.85，規范規定安全系數最小值為2.4，滿足規范要求。

表4 二襯安全系數計算表

4 結論

根據以上計算結果可知:通過采用地層結構法進行計算，可以看出舒家灣隧道進口ZK34+860～ZK34+830段二襯厚度總體穩定性能夠達到要求，安全系數能滿足規范要求。在地層結構法計算當中，FLAC數值計算軟件用得比較普遍，能夠有效對隧道靜力計算進行模擬。

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