關于隧道“微整形”對受力狀態影響的研究

(重慶交通大學 重慶 400000)

一、引言

在實際隧道設計中，大部分都是套用標準圖紙，按著不同的圍巖級別、隧道規模等等套用相應的標準圖紙以提高工作效率。但是在實際中，對隧道進行一些部位的小小的調整，其受力狀態會發生較大的變化，使隧道圍巖最大化承受圍巖壓力，減少襯砌結構的受力，從而使得隧道減少襯砌結構，節約成本并且保證隧道安全施工運營，達到經濟合理[1-3]。

隧道“微整形”是通過微小調整隧道的尺寸，通過有限元分析其受力計算，分析其受力狀態發生的變化規律，通過比較分析其在什么樣的斷面下隧道的受力最優。

本文主要是對簡化模型的數值分析計算，并用最簡單的方法微小調整隧道的斷面，計算其受力的狀態，分析其隧道的在微小調整隧道斷面過后的變化狀態。

二、隧道斷面“微整形”的思路

通過對典型隧道斷面的進行一個簡化過后進行建模，其簡化模型如下圖1所示，微小調節模型斷面則只是通過該表點5的坐標，使點5進行簡單的上下移動，點50也隨之移動，每次移動的距離為0.05m，每次計算的點5的坐標如表1所示。

圖1 隧道的簡化模型

三、計算模型的建立以及材料物理力學參數

(一)計算模型的建立

隧道工程和其他工程類似，經常用比選的方法來選擇方案進行優化，采用大型軟件ANSYS對不同尺寸斷面襯砌結構進行計算與分析，采用荷載結構法對隧道襯砌結構進行力學分析，襯砌結構采用梁單元Beam3，隧道結構與圍巖間的相互作用采用Combin14，其建立的模型如圖2所示。

(二)圍巖及材料物理力學參數

本次采用的是Ⅲ類圍巖，容重為22KN/m3，彈性模量為3.2GPa，泊松比為0.32，基床系數為400KN/m3，凝聚力為襯砌結構所采用的混凝土標號為C30，鋼筋混凝土的容重為25KN/m3，彈性模量為30GPa，泊松比為0.2[4]。

圖2 隧道的有限元模型

四、不同隧道斷面分析比較

改變點5的坐標，分別計算隧道斷面的彎矩圖、軸力圖以及剪力圖，根據隧道的受力特征，按照圖3單元編號圖中選取11單元、26單元、13單元、20單元進行彎矩和軸力進行分析，選取11單元、24單元、8單元、20單元進行剪力分析。其分析結果如下。

圖3 單元編號圖

圖4 彎矩變化圖

根據圖4中可以看出，當隨著點5的坐標變大，11、13單元的彎矩呈變小趨勢，11單元變化幅度較大，13單元變化幅度較小；26、20單元的彎矩呈增大趨勢，單元變化幅度較小。因此，當隨著點5坐標增大，拱頂的彎矩值變小，拱腳和拱底彎矩值變大。

圖5 軸力變化圖

根據表圖5中可以看出，當隨著點5的坐標變大，11、26、13、11單元的軸力都呈變小趨勢，變化幅度較小。因此，當隨著點5坐標增大，隧道斷面的軸力都呈減小趨勢。

圖6 剪力變化圖

根據圖6中可以看出，當隨著點5的坐標變大，11、8單元的剪力呈變小趨勢，11單元變化幅度較大，8單元變化幅度較小；20、24單元的剪力呈增大趨勢，單元變化幅度較小。因此，當隨著點5坐標增大，拱頂的剪力變小，拱腳和拱底彎矩值變大。

五、結論

1、微小的調節斷面的尺寸，隧道的彎矩、剪力拱頂變化比較大，其余部位變化較小，軸力影響相對較少，因此在隧道設計時，微小調節隧道尺寸有重要意義。

2、通過計算彎矩、剪力最大值出現在拱底處，但是隨著點5坐標增大，拱底彎矩、剪力成增加趨勢，所以從最大值考慮，適當降低點5坐標有利于隧道襯砌。

3、隧道“微整形”應該進行多位置的調整，調整出合理的斷面使得更加安全經濟。