鐵路隧道襯砌結構受力特性的數(shù)值模擬分析

宋中濤

摘要：近年來，隨著我國山嶺地區(qū)基礎建設不斷拓展，鐵路隧道襯砌的破壞變形成為隧道施工中最具有危害的問題之一，關乎隧道施工的結構安全性，而國內(nèi)這方面相關的研究成果較少，因此，亟需展開鐵路隧道結構襯砌受力特性的研究。本文以某鐵路隧道為例，運用數(shù)值模擬分析，探究鐵路隧道襯砌的結構受力特性，取得了一些重要研究成果。

Abstract： In recent years， with the continuous expansion of infrastructure construction in mountainous areas of China， the destruction and deformation of railway tunnel lining has become one of the most dangerous problems in tunnel construction and it is related to the structural safety of tunnel construction， and the relevant research results in this aspect in China are more less， therefore， it is urgent to carry out research on the mechanical characteristics of railway tunnel lining structure. Taking a railway tunnel as an example， this paper uses numerical simulation analysis to explore the structural stress characteristics of railway tunnel lining， and has achieved some important research results.

關鍵詞：鐵路隧道;襯砌結構受力特性;數(shù)值模擬

Key words： railway tunnel;mechanical characteristics of lining structure;numerical simulation

中圖分類號：TU473.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0206-03

0? 引言

我國隧道結構設計一般采用復合式襯砌，即由初期支護、二次襯砌組成。初期支護常由噴射混凝土和鋼拱架組成，承受主要荷載，在復雜地質條件下，初期支護的受力特性，是評價隧道安全性和支護效果的關鍵問題之一，具有重要的工程意義[1-4]。本文對某鐵路隧道的襯砌受力進行數(shù)值模擬分析，確保蒙華鐵路馬灣隧道的施工安全，得到的結論和建議可為類似工程的設計和施工提供參考。

1? 工程概況

1.1 隧道工況及參數(shù)

某鐵路隧道起訖里程DK846+156.82～DK846+675.5，全長518.68m。該鐵路隧道的開挖寬度為11.43m，開挖高度為9.21m，高寬比為0.81，隧道的平均埋深為25m。隧道采用三臺階臨時橫撐施工，圖1表示隧道的開挖步驟。隧道所在的巖體為IV級，巖體重度為25kN/m3，粘聚力為17kPa，內(nèi)摩擦角為23°，計算摩擦角為29.9°，圍巖θ為17.94°。隧道采用？準50小導管超前支護，初期支護為H230鋼格柵，間距為0.5m，噴射混凝土采用C25混凝土，厚度為30cm。

1.2 隧道初支開裂及剝落情況

1.2.1 初支裂紋

隧道進口左側DK846+207～+250段43m、右側DK846+203～+250段47m，中下臺階連接板附近出現(xiàn)1～2mm縱向裂紋。DK846+295右側上臺階出現(xiàn)環(huán)向裂紋，長約3m。經(jīng)取芯發(fā)現(xiàn)裂紋已貫通初支厚度，通過砂漿塊觀察，裂縫無發(fā)展。

1.2.2 初支剝落

隧道左側DK846+245～+257段上中臺階連接板附近噴砼連續(xù)剝落，鋼筋骨架外露變形;隧道右側DK846+237～+244段中下臺階連接板上部0.5m噴砼連續(xù)剝落;左側DK846+205～+207、DK846+265～+273、拱頂左側1.5m位置出現(xiàn)局部剝落;右側DK846+210～+260下臺階與仰拱連接板附近出現(xiàn)局部剝落。

該鐵路隧道初支的破壞、變形極易產(chǎn)生隧道圍巖的失穩(wěn)，致使整個開挖掌子面坍塌，極大的威脅工程的安全性，因此對鐵路隧道的襯砌破壞機理進行研究具有很高的使用價值，有助于避免隧道襯砌的破壞，確保隧道施工的安全性。

2? 數(shù)值計算結果分析

本文以IV級圍巖為例，進行數(shù)值模擬，模擬段的隧道參數(shù)如圖1所示。假定圍巖和襯砌均為均質彈性體，采用的參數(shù)見表1、圖1所示。

取DK846+198～DK846+265作為研究對象，沿軸線長67m，建立三維有限元模型尺寸如下：寬62.4m，長67m，高56.5m（最高處），有限元模型圖2。

在圖2中，左右施加按偏壓力計算得到的土壓力如表2，底部全約束，前后施加縱向約束，豎向施加速度，獲得圍巖、襯砌的位移和應力云圖，見圖3-圖6。

由上圖可以得出以下結論：

①襯砌的位移最大處：發(fā)生在拱頂，最大值為0.081m;

②襯砌的豎向應力最大處：發(fā)生在側壁：內(nèi)側（山高一側）：6.25MPa，外側（山低一側）：5.36MPa。

3? 結論

以某鐵路隧道為工程背景，采用現(xiàn)場勘查、數(shù)值模擬等方法對隧道襯砌結構受力特性機理進行研究，并對襯砌失穩(wěn)破壞后給出了相應的措施。所得主要結論一下：

①隧道襯砌兩側壁應力最大，易發(fā)生應力集中，引起圍巖體的破碎，進而造成混凝土噴擴層的開裂。②隧道襯砌出現(xiàn)裂隙、剝落現(xiàn)象，應采取封閉掌子面、增設臨時仰拱和加固環(huán)、對初支開裂嚴重部位和裂縫上下2m范圍采取小導管注漿加固等處理措施。③隧道襯砌在設計階段應加強拱頂和兩側壁的承載能力，確保整個結構的穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]張建平.鐵路隧道襯砌縱向裂縫產(chǎn)生原因分析及整治[J]. 國防交通工程與技術，2019，17（04）：14-17.

[2]唐春宇，田鵬.隧道洞頂?shù)乇砑俺踔ё冃伍_裂綜合處理措施[J].中國高新技術企業(yè)，2009（17）：168-170.

[3]魏倩，盛謙，陳健，等.隧道襯砌受力特性研究與結構安全性評價[J].人民長江，2012，43（20）：59-61.

[4]劉和清.下穿高速公路的淺埋大斷面隧道襯砌受力分析[J]. 鐵道標準設計，2011（04）：95-97.