公路隧道二次襯砌受力分析

張超 朱世奇 吳天成 胡思齊 徐麗娜

摘 要 公路隧道二次襯砌除了滿足建筑限界條件外，還需要具有足夠的強度和安全性。本文在分析現有的公路隧道二次襯砌受力研究現狀的基礎上，對公路隧道曲墻式襯砌的截面強度理論計算方法進行闡述，并以某實際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態，本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態的分析提供一定的借鑒和參考。

關鍵詞 公路隧道;二次襯砌;受力分析

概述

公路隧道襯砌除了必須要滿足建筑限界和保證足夠的凈空以外，還要求有足夠的強度，能夠保證使用期內的安全性和可靠性。隧道開挖后，襯砌結構在圍巖壓力長期作用下，特別是不均勻壓力作用下，容易產生裂紋或破壞，進而帶來一定的經濟損失。因此，隧道主體結構受力特征的研究得到了國內外學者的廣泛關注。張鐸等建立有限元模型，利用荷載-結構法分析某隧道二次襯砌結構的安全性[1]。于景龍等通過現場監測數據和數值模擬分析，研究了初期支護與二次襯砌之間接觸壓力的分布規律[2]。王運周等通過現場監測，分析松散堆積體隧道二次襯砌受力特征及承載機理[3]。馬福彬等研究了巖溶區隧道二次襯砌結構內力的分布特征[4]。劉瑞斌等以實際工程為依托，分析了不同圍巖級別條件下，襯砌背后水壓和襯砌接觸壓力的分布特征[5]。

本文在研究國內外相關文獻資料的基礎上，對公路隧道曲墻式襯砌的截面強度理論計算方法進行闡述，并以某實際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態，本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態的分析提供一定的借鑒和參考。

1曲墻式襯砌計算方法

1.1 主動荷載作用下的力法方程和內力

公路隧道一般情況采用曲墻式襯砌形式，又拱圈、曲邊墻和仰拱組成，拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱計算，若施工時后做仰拱，可不考慮仰拱對襯砌的影響。取基本結構如圖1所示。

根據拱頂截面相對變位為零的條件，可列出力法方程，如公式（1）所示。

1.2 襯砌最終內力計算

計算主動荷載和被動荷載分別產生的襯砌內力，可得：

襯砌總內力可用公式（3）計算得到。

2實例分析

某山嶺一級公路隧道，設計時速為80 km/h，計算段圍巖級別為V級，容重為=18 N/3，彈性抗力系數= 150 Pa/，形變模量 E=1.2 GPa，泊松比=0.4，內摩擦角= 22°，黏聚力= 0.1Pa，計算摩擦角= 45°;襯砌材料為 C25 混凝土，彈性模量? = 2.8 × 107Pa，容重? = 25N/3，厚度為40 cm。圖2為襯砌結構計算示意圖。

根據公式（1）～（3）可以得到襯砌總內力，如表1所示。

將內力計算結果按比例尺繪制彎矩圖及軸力圖，如圖3所示。從圖上可以看出洞頂彎處彎矩最大，而軸力最大值出現在拱腳處。在截面2、截面3、截面4、截面6和截面7處出現負彎矩，其中最大負彎矩出現在拱肩，因此在截面驗算時應該重點關注拱頂截面，拱腳截面和最大負彎矩截面。

3結束語

本文在分析現有的公路隧道二次襯砌受力研究現狀的基礎上，對公路隧道曲墻式襯砌的截面強度理論計算方法進行闡述，并以某實際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態，通過計算發現洞頂彎處彎矩最大，而軸力最大值出現在拱腳處，最大負彎矩出現在拱肩，因此在截面驗算時應該重點關注拱頂截面，拱腳截面和最大負彎矩截面。本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態的分析提供一定的借鑒和參考。

參考文獻

[1] 張鐸，張瑩.隧道二次襯砌結構驗算與裂縫原因分析[J].黃河水利職業技術學院學報，2017，29（2）：21-24.

[2] 于景龍，靳文強.高速鐵路泥巖隧道二次襯砌受力特性分析[J].蘭州工業學院學報，2017，24（1）：29-33.

[3] 王運周，程寅，費月英，等.覆蓋松散堆積體隧道二襯受力特性研究[J].工程勘察，2018，46（2）：12-16.

[4] 馬福彬，倪婉昱.巖溶區連拱隧道二次襯砌的受力特征分析[J].交通節能與環保，2019，15（3）：107-109，113.

[5] 劉瑞斌.富水大斷面軟巖隧道支護結構受力性能試驗[J].土木工程與管理學報，2019，36（5）：123-128，136.