隧道衬砌缺陷的受力计算与分析（论文）.pdf

·138 · 隧道工程中衬砌缺陷的处理，是隧道施工中的常见问题， 也是目前隧道建设过程中的难点问题。在我国的隧道建设中， 越来越多的二衬缺陷问题严重危害到隧道的建设和运营，积 极有效地判断衬砌缺陷是否满足原设计及地层要求，对完成 衬砌缺陷的处理具有重要意义。 1 工程概况 该隧道属双车道公路隧道，设计为 100 km/h的分离式隧道。 左线全长 1 275 m，最大埋深约 114 m；右线全长 1 288.0 m，最 大埋深约 98 m，呈170° 方向展布，属长隧道。 隧址区地属构造剥蚀低山地貌，整体地形起伏较大，地 表冲沟及水系稍发育，切割不深。整个山体由燕山期花岗岩 组成。隧道为荒山区，生态完好，植被发育，森林茂盛。 根据钻探、物探及地质测绘，隧道区地层岩性由新至老 为第四系全新统坡残积及燕山期花岗岩，本文中衬砌厚度缺 陷段落均位于于中风化花岗岩中，呈灰白色，中粗粒结构， 块状构造，主要由石英、长石及云母组成，裂隙微发育，岩 体完整，多呈巨快状，岩质坚硬。 根据区域地质资料及调查结果显示，区内未见大的区域 性活动断裂通过及新构造，属较稳定区，沿线主要构造为燕 山期火山岩侵入。隧道区浅部岩石风化裂隙发育，岩体完整 性较差，深部节理裂隙一般为不发育 ~较发育，地表主要为 4 组（裂隙）节理。 2 隧道缺陷概况 根据该隧道的衬砌厚度缺陷检测报告，该隧道部分段落 衬砌厚度小于设计值，均小于原设计厚度 3~5 cm。 本文分别对该隧道 S-IVb型衬砌二衬减薄 3 cm、S-IVd衬 砌二衬减薄 3 cm、S-III型衬砌二衬减薄 3 cm和5 cm 共4种工 况进行了结构验算。 其中 S-IVb 型衬砌二衬厚度为 42 cm，该型衬砌适用于 IV 级围岩浅埋段硬质岩，但现场实际施工时采用该种衬砌均位 于深埋段 ； S-IVd型衬砌减薄后的二衬厚度为 37 cm，该型衬 砌适用于Ⅳ级围岩深埋硬质岩段，拱部围岩整体性较好，围 岩抗压强度大于 30 MPa；S-III 型衬砌 2种工况下的二衬厚度 分别为 32 cm和30 cm，该型衬砌适用于完整Ⅲ级围岩段，二 衬一般作为安全储备。 3 隧道结构计算模型 该隧道衬砌结构厚度缺陷的模拟计算，按照相关规范的 要求采用荷载 –结构法。其基本原理为 ：在隧道开挖之后， 在充分考虑围岩自稳能力的前提下，隧道衬砌的荷载主要来 源于地层的作用，在地层压力、水压力等荷载的作用下，衬 砌结构应该仍能安全可靠地承受。 隧道衬砌结构模拟计算，在充分考虑地层分类法或使用 公式确定地层压力的前提下，按照弹性地基上结构物计算方 法，计算衬砌结构的内力，最后采用综合安全系数法进行结 构截面强度验算。 本隧道衬砌结构厚度缺陷验算采用 MIDAS-GTS NX计算 软件进行荷载 –结构法计算。计算时，取单位长度（ 1 m）的 隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定。 （1）将隧道衬砌结构受力情况模拟简化为二维弹性梁单 元，并假设梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置。 （2）将隧道围岩的约束情况采用弹簧单元模拟计算，假 设弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上， 该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效。 （3）围岩施加在衬砌结构上的荷载通过规范法进行计算， 以竖直和水平力的模式直接施加到梁单元节点上。 （4）衬砌结构材料采用理想线弹性材料。 （5）参照 JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》考虑， 隧道初支与二衬之间有防水层，不考虑围岩对衬砌的拉应力， 围岩对二次衬砌的弹性抗力作用仅计入径向压力。对于 S-IVd 和 S-III 型无仰拱衬砌，二衬基础较窄且地质条件较好，容许 承载力较大，所以可将其简化为完全铰支座。 隧道结构计算模型如图 1、图2所示。 图1 隧道有仰拱型衬砌模型（计算机截图） ［摘 要］ B
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