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(qiáng)度和安全性。本文在分析現(xiàn)有的公路隧道二次襯砌受力研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)公路隧道曲墻式襯砌的截面強(qiáng)度理論計(jì)算方法進(jìn)行闡述，并以某實(shí)際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態(tài)，本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態(tài)的分析提供一定的借鑒和參考。

關(guān)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(qiáng)度，能夠保證使用期內(nèi)的安全性和可靠性。隧道開(kāi)挖后，襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖壓力長(zhǎng)期作用下，特別是不均勻壓力作用下，容易產(chǎn)生裂紋或破壞，進(jìn)而帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，隧道主體結(jié)構(gòu)受力特征的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。張鐸等建立有限元模型，利用荷載-結(jié)構(gòu)法分析某隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全性[1]。于景龍等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析，研究了初期支護(hù)與二次襯砌之間接觸壓力的分布規(guī)律[2]。王運(yùn)周等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析松散堆積體隧道二次襯砌受力特征及承載機(jī)理[3]。馬福彬等研究了巖溶區(qū)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布特征[4]。劉瑞斌等以實(shí)際工程為依托，分析了不同圍巖級(jí)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(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)公路隧道曲墻式襯砌的截面強(qiáng)度理論計(jì)算方法進(jìn)行闡述，并以某實(shí)際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態(tài)，本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態(tài)的分析提供一定的借鑒和參考。

1曲墻式襯砌計(jì)算方法

1.1 主動(dòng)荷載作用下的力法方程和內(nèi)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(gè)整體按無(wú)鉸拱計(jì)算，若施工時(shí)后做仰拱，可不考慮仰拱對(duì)襯砌的影響。取基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)拱頂截面相對(duì)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(nèi)力計(jì)算

計(jì)算主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力，可得：

襯砌總內(nèi)力可用公式（3）計(jì)算得到。

2實(shí)例分析

某山嶺一級(jí)公路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，計(jì)算段圍巖級(jí)別為V級(jí)，容重為=18 N/3，彈性抗力系數(shù)= 150 Pa/，形變模量 E=1.2 GPa，泊松比=0.4，內(nèi)摩擦角= 22°，黏聚力= 0.1Pa，計(jì)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(jié)構(gòu)計(jì)算示意圖。

根據(jù)公式（1）～（3）可以得到襯砌總內(nèi)力，如表1所示。

將內(nèi)力計(jì)算結(jié)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(xiàn)在拱腳處。在截面2、截面3、截面4、截面6和截面7處出現(xiàn)負(fù)彎矩，其中最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在拱肩，因此在截面驗(yàn)算時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注拱頂截面，拱腳截面和最大負(fù)彎矩截面。

3結(jié)束語(yǔ)

本文在分析現(xiàn)有的公路隧道二次襯砌受力研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)公路隧道曲墻式襯砌的截面強(qiáng)度理論計(jì)算方法進(jìn)行闡述，并以某實(shí)際工程為例，分析公路隧道二次襯砌的受力狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)洞頂彎處彎矩最大，而軸力最大值出現(xiàn)在拱腳處，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在拱肩，因此在截面驗(yàn)算時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注拱頂截面，拱腳截面和最大負(fù)彎矩截面。本文的研究為公路隧道二次襯砌受力狀態(tài)的分析提供一定的借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張鐸，張瑩.隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算與裂縫原因分析[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，29（2）：21-24.

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

[3] 王運(yùn)周，程寅，費(fèi)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(qū)連拱隧道二次襯砌的受力特征分析[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2019，15（3）：107-109，113.

[5] 劉瑞斌.富水大斷面軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2019，36（5）：123-128，136.