基于荷載結(jié)構(gòu)法的隧道襯砌斷面優(yōu)化方案分析

谷莉薇

(山西省交通開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 太原市 030006)

隧道的安全性及穩(wěn)定性至關(guān)重要，一旦隧道出現(xiàn)安全性問題，將對社會造成重大影響[1-3]。作為隧道的主體結(jié)構(gòu)，隧道二次襯砌的穩(wěn)定性將直接影響隧道結(jié)構(gòu)的使用功能，針對隧道襯砌的受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，相關(guān)學(xué)者已有較多的研究[4-6]。以某穿越較差地質(zhì)條件下的山嶺隧道為研究對象，對其現(xiàn)有襯砌設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化研究，依據(jù)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的荷載結(jié)構(gòu)法，針對仰拱及仰拱隅角半徑設(shè)計(jì)了三種優(yōu)化方案。基于Midas/GTS NX軟件對比分析了原方案以及三種優(yōu)化方案下襯砌的軸力、彎矩及剪力的分布圖，并對襯砌安全性進(jìn)行分析，研究得出適用此隧道的最佳襯砌斷面設(shè)計(jì)方案。

1 襯砌斷面方案

某雙車道公路隧道穿越山嶺，山體圍巖等級為Ⅳ級，單向雙洞，為分離式隧道。選取某樁號處分析隧道斷面襯砌的受力情況，該樁號處隧道埋深25 m，圍巖重度γ=22 kN/m3，用于后文荷載結(jié)構(gòu)法中圍巖松散壓力的計(jì)算。襯砌斷面原方案及優(yōu)化方案如圖1所示，其中Ry表示仰拱半徑，Ryc表示仰拱隅角半徑。

圖1 隧道襯砌斷面方案

為了改善襯砌的整體受力情況，對隧道襯砌斷面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案相比原方案均設(shè)置了仰拱，并調(diào)整了仰拱及仰拱隅角參數(shù)，斷面方案具體參數(shù)如表1所示。

表1 襯砌斷面方案參數(shù)

2 隧道模型及參數(shù)

基于Midas/GTS NX軟件，采用荷載-結(jié)構(gòu)法建立隧道模型，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[7](JTG/T D70—2010)中單洞隧道圍巖松散壓力計(jì)算結(jié)構(gòu)所受荷載，采用彈性模型，采用梁單元來模擬，設(shè)置材料類型為各項(xiàng)同性，受力結(jié)構(gòu)采用非線性分析，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值分析模型

根據(jù)規(guī)范查的襯砌材料及參數(shù)如表2所示。

表2 模型計(jì)算襯砌材料及屬性參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 軸力對比分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，導(dǎo)出軸力如圖3所示。

圖3 襯砌最大軸力變化規(guī)律

從圖3可以看出，原方案下，由于未設(shè)置仰拱，襯砌最大軸力位置出現(xiàn)在墻腳部位，最大值為-1.086×103kN，受壓；相比設(shè)置仰拱的方案一、方案二、方案三，襯砌最大軸力位置出現(xiàn)在仰拱部位，可知仰拱的設(shè)置能夠較好地改善襯砌整體的受力。隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大，仰拱處最大軸力值分別為-1.173×103kN、-1.209×103kN、-1.24×103kN，最大軸力值不斷增大，分析認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度較高，仰拱軸力值的增大充分發(fā)揮了襯砌抗壓性能。

3.2 彎矩對比分析

繪制不同隧道襯砌斷面方案的襯砌彎矩如圖4所示。

圖4 襯砌彎矩最大值變化

從圖4中可以看出，襯砌彎矩中，原方案的最大正彎矩為4.201×102kN·m，位于襯砌底板中心部位；最大負(fù)彎矩為-7.246×102kN·m，位于襯砌墻腳部位，相比設(shè)置仰拱的方案，最大正彎矩分布在仰拱部位，最大負(fù)彎矩分布在仰拱隅角處。設(shè)置仰拱的方案一相比原方案襯砌出現(xiàn)了較大的降低，正彎矩值減小至2.535×102kN·m，最大負(fù)彎矩值減小為-3.553×102kN·m。優(yōu)化方案二、方案三相比方案一，隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大，襯砌的正、負(fù)彎矩值分別減小至2.519×102、-3.193×102和2.457×102、-2.874×102kN·m，但減小幅度有所降低。

3.3 剪力對比分析

繪制不同隧道襯砌斷面方案的襯砌剪力如圖5所示。

圖5 襯砌最大剪力變化規(guī)律

從圖5中可以看出，原方案中，襯砌剪力最大值位于底板的靠近墻腳位置處，最大剪力值為8.113×102kN，其次是墻腳部位；相比設(shè)置仰拱的方案，襯砌剪力最大值位于仰拱隅角處，其次是墻腳部位。分析發(fā)現(xiàn)方案一相比原方案，襯砌剪力最大值同樣出現(xiàn)了較大幅度的降低，減小至3.385×102kN，同樣可知，相比無仰拱的襯砌整體受力情況，設(shè)有仰拱的隧道襯砌有了大幅度改善。比較方案一、方案二、方案三可以發(fā)現(xiàn)，隨著仰拱及仰拱隅角半徑的增大，襯砌剪力最大值在不斷減小至3.035×102kN、2.774×102kN。

3.4 襯砌安全性分析

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[7](JTG/T D70—2010)，計(jì)算出現(xiàn)彎矩、剪力最大值的襯砌仰拱隅角及墻腳單元處的偏心距e0和安全系數(shù)K，結(jié)算結(jié)果如表3所示。

表3 襯砌特征單元偏心距和安全系數(shù)

通過對比可以清楚地看到，原方案未設(shè)置仰拱時(shí)，墻腳單元的偏心距e0為0.124，設(shè)置仰拱后墻腳偏心距發(fā)生了較大幅度的減小；未設(shè)置仰拱時(shí)墻腳單元的安全系數(shù)K僅為1.68，設(shè)置仰拱后墻腳安全系數(shù)升高至1.89，同樣出現(xiàn)了大幅度提高。對比分析方案一、方案二襯砌墻腳單元及仰拱隅角單元的偏心距e0分別減小了0.002及0.005，而方案三相比方案二襯砌墻腳單元及仰拱隅角單元的偏心距e0分別減小了0.025及0.03。相比安全系數(shù)K，對比方案一、方案二、方案三墻腳單元的安全系數(shù)不斷提高，但提高幅度較小；而對于仰拱隅角單元，方案三相比方案一、方案二，偏心距e0和安全系數(shù)K均分別出現(xiàn)了顯著的減小與提高，可以認(rèn)為方案三襯砌整體安全性最高。

4 結(jié)語

為了研究隧道襯砌不同設(shè)計(jì)方案的受力情況，對某隧道襯砌方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于荷載結(jié)構(gòu)法對比分析了三種優(yōu)化方案下襯砌的軸力、彎矩及剪力分布情況，得到以下主要結(jié)論：

(1)相比設(shè)置仰拱的方案，襯砌最大軸力位置出現(xiàn)在仰拱部位，且隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大，仰拱處軸力最大值不斷增大，因混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度較高，仰拱軸力值的增大充分發(fā)揮了襯砌抗壓性能。

(2)對于彎矩及剪力，相比原設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化方案襯砌的彎矩最大值及剪力最大值均出現(xiàn)了大幅度減小，且隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大不斷減小。

(3)設(shè)置仰拱后墻腳偏心距發(fā)生了較大幅度的減小，墻腳單元的安全系數(shù)K出現(xiàn)了大幅度提高；三個優(yōu)化方案之間對比發(fā)現(xiàn)，方案三對墻腳單元及仰拱隅角單元的偏心距e0有了大幅度減小，仰拱隅角單元安全性系數(shù)K大幅提高，可以認(rèn)為方案三的襯砌結(jié)構(gòu)整體安全性最高。