隧道襯砌數值模擬與穩定性分析

李天超

摘 要：通過有限元軟件MIDSA，采用桿系結構有限元方法，對碓堿隧道Ⅴ級圍巖斷面 ZK94+790襯砌進行了數值模擬計算，預測了襯砌結構斷面的內力，指出該襯砌結構設計在車輛荷載條件下能夠保證隧道的安全與穩定。

關鍵詞：隧道;襯砌結構;車輛荷載;軸力;彎矩;剪力

1 概述

公路隧道的襯砌結構形式常采用的是復合式襯砌和整體式襯砌，本文采用的是復合式襯砌，這種形式的襯砌的斷面一般為曲墻拱頂。為了保證在使用年限內結構物有可靠安全度，隧道襯砌除必須保證足夠的凈空和足夠的強度，在隧道襯砌結構計算時結合圍巖自承能力進行。

目前，在做隧道的結構體系計算時，主要采用兩類計算模型，一類是承載主體為支護結構，考慮圍巖作為荷載對支護結構變形的約束作為計算模型。另一類則相反，承載主體為圍巖，考慮支護結構對圍巖變形的約束作為計算模型。淺埋隧道中的整體或復合襯砌及明洞襯砌、深埋隧道中的整體式襯砌等應采用荷載-結構法計算[1]。一般情況下，圍巖因過分變形而發生松弛和崩塌，支護主動承載圍巖“松動”壓力的情況下采用荷載-結構法，再根據所得的襯砌內力進行構件截面設計。本文對碓堿隧道Ⅴ級圍巖斷面ZK94+790襯砌進行了數值模擬計算，預測了襯砌結構斷面的內力，指出該襯砌結構設計在車輛荷載條件下能夠保證隧道的安全與穩定。

2 工程實例

2.1 碓堿隧道概況

碓堿隧道起訖里程ZK92+160～ZK94+825，隧道全長2 665 m，為雙線隧道。隧道進口屬于剝蝕侵蝕丘陵地貌，位于架簡村附近，左、右洞口位于山體斜坡處，地面標高一般240 m～270 m，相對高差約30 m，自然邊坡坡向約330°，坡度15°～20°;隧道出口位于牛寮村附近，左、右出口位于斜坡地帶，地形上為斜坡，地面標高一般205 m～225 m，

相對高差約20 m，自然邊坡坡向約90°，坡度15°～25°。

碓堿隧道與后期改造道路相交樁號分別為ZK94+790，YK94+762處，碓堿隧道出口段為超淺埋，碓堿隧道出口段ZS-Va襯砌實際埋深H=10 m。ZS-Va襯砌所在地段覆蓋層為第四系人工填土、全新統殘坡積粉質黏土和全新統沖洪積粉質黏土，下伏基巖為印支期花崗巖加里東期花崗巖。

2.2 設計參數

ZS-Va襯砌設計參數如下：

2.3 計算程序及計算

內力分析采用MIDAS軟件，采用桿系結構有限元方法。將隧道襯砌結構簡化為沿結構軸線的梁，圍巖壓力以節點力方式施加到襯砌結構上，地基對襯砌的反力以地基彈簧方式施加到結構上。襯砌結構采用1維梁單元，反力采用僅受壓的曲面彈簧單元。

2.3.1 荷載組合

本項目隧道遭受的荷載主要是永久荷載和基本可變荷載，永久荷載包括襯砌自重、圍巖壓力等，基本可變荷載包括與隧道立交的公路車輛荷載，在計算過程中僅考慮襯砌自重、圍巖壓力及車輛荷載，采用基本組合QZH-1和基本組合QZH-2進行承載力極限狀態校核，采用綜合系數法進行強度校核，基本組合QZH-1的各分項系數均取1.0，基本組合QZH-2的各分項系數均取1.35。

2.3.2 承載比例

根據《公路隧道設計細則》（JTG/TD70-2010）第10.3.3條要求，雙車道隧道淺埋地段，初期支護承載比例≥50%，二次襯砌承載比例≥60%，本文實際計算按初期支護承載比例50%，二次襯砌承載比例60%來進行。

2.3.3 襯砌荷載計算

襯砌荷載計算根據《公路隧道設計規范》中推薦的方法進行計算，荷載等效高度hq劃分超淺埋、淺埋和深埋段，垂直壓力和水平壓力由相應公式計算得出，近似按照均布荷載考慮兩種壓力。本文選取碓堿隧道淺埋段進行研究，圍巖等級為Ⅴ級[2]。

2.3.4 車輛荷載

依據《公路橋涵設計通用規范》規定對汽車荷載取值，車輛荷載不與車道荷載同時疊加。當覆土層厚度符合《荷載規范》規定，汽車的輪壓荷載可按汽車在合理投影面積范圍內的平均荷重計算，其中覆蓋層厚度和汽車荷載規定如下表2所示。

2.4 二次襯砌計算結果及強度驗算

本文選用大型通用有限元軟件MIDAS實現計算，采用荷載-結構模式。計算模型為碓堿隧道Ⅴ級圍巖斷面ZK94+790襯砌，一共有66個結點，65個梁單元。在基本組合QZH-2荷載作用下，隧道襯砌結構計算出內力。軸力全部呈現受壓狀態，仰拱的軸力最大，最大值1 604 kN，由拱頂向兩側逐漸增大，并且兩側軸力基本對稱;襯砌結構彎矩正值最大值為400.2 kN·m，最大點在拱頂位置，彎矩負值最大值為372.5 kN·m，最大點在邊墻位置;襯砌安全系數最小值全都在拱頂、仰拱和拱腳的位置。證明了襯砌結構中最易發生破壞的三個位置為拱頂、仰拱和拱腳。

3 結語

（1）對碓堿隧道Ⅴ級圍巖斷面ZK94+790襯砌進行數值模擬計算，通過分析得到襯砌結構的內力分布及數值大小。（2）從襯砌結構內力圖中總結出襯砌結構中最易發生破壞的三個位置為拱頂、仰拱和拱腳，需加強支護結構參數。（3）該襯砌結構設計合理可行，具備較好的穩定性和安全性，為以后類似工程施工提供了經驗。（4）建議在碓堿隧道出口淺埋段ZS-Va襯砌的二次襯砌穩定后，再對與碓堿隧道上方立交的道路進行改造。考慮到碓堿隧道與改造后道路立交，建議交安專業加強交通安全防護措施。

參考文獻：

[1]重慶交通科研設計院.JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2018.

[2]覃仁輝.隧道工程[M].重慶：重慶大學出版社，2011.