孫超杰,岳 健,劉瑞康,李灃展

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

采用礦山法開挖與復(fù)合式襯砌的河底淺埋小凈距公路隧道目前在國內(nèi)尚屬罕見,但應(yīng)用前景非常廣闊.目前雖然已有學(xué)者對這類隧道的圍巖與初襯的受力性狀進行了研究,但對二次襯砌的受力性狀研究較少,關(guān)于汽車荷載對這類隧道二次襯砌受力性狀的影響分析更是少見[1～4].在設(shè)計這類特殊隧道的二次襯砌(以下簡稱為二襯)時,相比一般隧道要多考慮水浮力的影響,因此需采用特殊的設(shè)計思路.本文針對這類特殊隧道,以瀏陽河公路隧道為工程背景,研究服役期汽車荷載作用在洞內(nèi)下部結(jié)構(gòu)上時對二襯受力性狀的影響.首先,考慮到隧道施工過程對服役性能有影響,建立反映施工過程的三維滲流應(yīng)力耦合數(shù)值模型;其次,驗證數(shù)值模型具有參考價值;最后,對比分析服役期不同汽車荷載對二襯受力性狀的影響規(guī)律,并且剖析原因,對這類特殊隧道的二襯設(shè)計提出相關(guān)建議.

1 工程概況與模型建立

瀏陽河公路隧道單洞橫斷面如圖1所示.單洞開挖寬度B 為11.9 m,開挖高度為10.4 m,隧道襯砌采用復(fù)合式襯砌,初期支護采用“全環(huán)封閉的型鋼拱架+厚度為25 cm 的C25 噴射混凝土”;二襯采用全環(huán)封閉的C35 防水鋼筋混凝土,拱墻二襯的厚度為50 cm,仰拱二襯的厚度為60 cm;復(fù)合式襯砌外為厚5.5 m的超前注漿加固圈,河底巖土覆蓋層厚度為14 m.建立三維應(yīng)力滲流耦合有限元模型,模型整體如圖2所示,細(xì)部網(wǎng)格劃分及二襯截面的網(wǎng)格劃分如圖3所示.整體模型寬200 m,高150 m,縱向長36 m.模型共計約24.7 萬個單元,24.6 萬個節(jié)點.根據(jù)地質(zhì)勘察報告與相關(guān)規(guī)范[5],選定本構(gòu)模型與計算參數(shù)見表1.

圖1 單洞橫斷面示意圖

圖2 模型整體

圖3 細(xì)部網(wǎng)格及單洞二襯網(wǎng)格劃分

表1 材料的計算參數(shù)

雙洞均采用上下臺階法開挖,數(shù)值模擬分為若干環(huán)節(jié),見表2.每個模擬環(huán)節(jié)都包括三個小的施工步:應(yīng)力步、滲流步和應(yīng)力滲流耦合步.每一個模擬環(huán)節(jié)都對應(yīng)一個河水位,也就都對應(yīng)一個模型頂面的總水頭值和靜水壓力.模型頂面的總水頭邊界用下式來表示:其中hw為模型頂面的總水頭,單位為m;hb為不同施工階段河水位,見表2;hd為模型頂面高程,取22 m;hc為模型高度,取150 m.河水深度即為河水位與模型頂面高程的差值,算出相應(yīng)的靜水壓力施加到模型頂面上.本文的河水位一律采用吳淞高程表示.

表2 模擬環(huán)節(jié)描述

模型頂面為河水與巖土的交界面,模型頂邊界的位移自由,其余界面均約束法向位移.與河水接觸的模型頂面設(shè)置為透水邊界,由于模型足夠大,其余界面均設(shè)為不透水界面.在初襯施作之后、二襯施作之前,水可以滲透過初襯流入洞內(nèi),此時將臨空的初襯內(nèi)表面壓力水頭設(shè)為0;當(dāng)外裹防水板、防水性能好的二襯全環(huán)封閉后,二襯作為新的臨空面設(shè)為不透水邊界,同時取消初襯內(nèi)表面的0 壓力水頭設(shè)置.最終建成考慮應(yīng)力—穩(wěn)態(tài)滲流耦合的三維數(shù)值模型.滲流應(yīng)力耦合的原理見文獻[2].

2 模型的驗證

現(xiàn)場使用全站儀測出該斷面初襯拱頂?shù)呢Q向位移.圖4對比了施作二襯之前,雙洞典型斷面初襯拱頂豎向位移的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果.由于現(xiàn)場施工情況和水滲流情況都更為復(fù)雜,導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果存在一定的差距,但從總體上看,二者相差不大,在允許的差別范圍內(nèi),表明本文建立的數(shù)值模型具有一定的參考價值.

圖4 初襯豎向位移的對比(雙洞凈距1.9B)

驗證數(shù)值模型具有參考價值后,考慮到雙洞原1.9 B 凈距太過于保守,以后同類隧道可能要進行凈距減小優(yōu)化,因此以下的數(shù)值模擬結(jié)果分析都采用1.0 B 凈距的情況.本文設(shè)置了汽車荷載為0 kPa（無汽車荷載）、10 kPa、20 kPa、30 kPa 共4 種工況，依據(jù)相關(guān)參考文獻[6,7],汽車荷載采用均布荷載的方式直接施加在這類特殊隧道的下部結(jié)構(gòu)上,如圖3所示.

3 計算結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明豎向汽車荷載對二襯的水平位移影響很小;二襯的混凝土材料抗壓能力強,數(shù)值模擬結(jié)果表明二襯的最小主應(yīng)力均遠(yuǎn)小于設(shè)計抗壓強度,但二襯的抗拉能力弱;因篇幅所限,本文只分析二襯豎向位移、二襯最大主應(yīng)力與二襯背后的水壓力.

3.1 二襯的豎向位移

需要說明的是,二襯沿環(huán)向與縱向封閉并進入服役期后,滲水會逐漸由地勢低處向高處聚集回升,在水浮力的作用下,二襯相對于初始位置上升,因此施工期結(jié)束后的二襯豎向位移都是正值.圖5與圖6分別給出了雙洞上下二襯的豎向位移在不同汽車荷載下的環(huán)向分布情況.分析可知:(1)雙洞上部二襯豎向位移與汽車荷載呈現(xiàn)線性關(guān)系.隨著汽車荷載從無到有并且逐漸增大,上部二襯的豎向位移逐漸減小,即上部二襯上升量逐漸減小,汽車荷載每增大10 kPa,上部二襯上升量減小約0.12 mm.(2)雙洞下部二襯豎向位移與汽車荷載也呈現(xiàn)線性關(guān)系.隨著汽車荷載從無到有并且逐漸增大,下部二襯的豎向位移逐漸減小,即下部二襯上升量逐漸減小,汽車荷載每增大10 kPa,下部二襯上升量減小約0.14 mm.(3)汽車荷載對下部二襯豎向位移的影響略大于上部二襯,汽車荷載每增大10 kPa,下部二襯豎向位移減小量比上部二襯大0.02 mm.(4)汽車荷載對于全環(huán)二襯豎向位移的影響關(guān)于中夾巖中線對稱,但關(guān)于單洞中線并不對稱.汽車荷載對靠近中夾巖側(cè)二襯的豎向位移的影響略大于對遠(yuǎn)離中夾巖側(cè)二襯的豎向位移的影響,汽車荷載每增大10 kPa,靠近中夾巖側(cè)二襯的豎向位移減小量比遠(yuǎn)離中夾巖側(cè)二襯的豎向位移減小量大0.02 mm.

圖5 雙洞上部二襯豎向位移在不同汽車荷載下的環(huán)向分布情況

圖6 雙洞下部二襯豎向位移在不同汽車荷載下的環(huán)向分布情況

3.2 二襯的最大主應(yīng)力

圖7與圖8分別給出了雙洞上下二襯的最大主應(yīng)力在不同汽車荷載下的環(huán)向分布情況.分析可知:(1)隨著汽車荷載從無到有并且逐漸增大,二襯拱頂附近的最大主應(yīng)力逐漸減小.無汽車荷載時約為306 kPa,汽車荷載每增大10 kPa,二襯拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力減小約0.3 kPa.由此可見,汽車荷載對于上部二襯最大主應(yīng)力的影響是非常小的,以致于曲線都重合在一起.(2)與上部二襯相比,汽車荷載對二襯最大主應(yīng)力的影響主要在于下部二襯.除了邊墻個別單元,下部二襯最大主應(yīng)力與汽車荷載呈現(xiàn)線性關(guān)系.隨著汽車荷載從無到有并且逐漸增大,底部二襯的最大主應(yīng)力逐漸減小,無汽車荷載時約為365 kPa,汽車荷載每增大10 kPa,底部二襯最大主應(yīng)力減小約8 kPa.(3)比較二襯各個單元的最大主應(yīng)力,選取其中的最大正值規(guī)定為二襯的最大拉應(yīng)力.從全環(huán)二襯來看,最大拉應(yīng)力發(fā)生在靠近中夾巖側(cè)邊墻下方1 m處.隨著汽車荷載從無到有并且逐漸增大,二襯的最大拉應(yīng)力逐漸減小,無汽車荷載時為677 kPa,汽車荷載每增大10 kPa,二襯最大拉應(yīng)力減小約4 kPa.

圖7 雙洞上部二襯最大主應(yīng)力在不同汽車荷載下的環(huán)向分布情況

圖8 雙洞下部二襯最大主應(yīng)力在不同汽車荷載下的環(huán)向分布情況

由圖6和圖8可以看出,雙洞下部二襯的豎向位移和最大主應(yīng)力在兩側(cè)邊墻下方約1.5 m 處有一個明顯的突變,分析其原因可能有以下三點:(1)拱墻二襯和仰拱二襯是錯開一段時間分別澆筑的,二者并沒有同時承載;(2)拱墻二襯和仰拱二襯的厚度相差10 cm,在厚度上存在一個過渡性的變化;(3)從二襯截面的幾何形狀上來看,此處恰好是連接拱墻二襯與仰拱二襯的一段小圓弧,形狀特殊且受力不均勻.

3.3 二襯背后的水壓力

圖9與圖10 分別給出了雙洞上下二襯背后水壓力在汽車荷載為30 kPa 時的環(huán)向分布情況.分析可知:拱頂部位二襯背后的水壓力是最小的,為312 kPa;水壓力沿邊墻到拱底逐漸增大,仰拱底處二襯背后的水壓力最大,為409 kPa.

圖9 雙洞上部二襯背后水壓力在汽車荷載30 kPa 時的環(huán)向分布情況

圖10 雙洞下部二襯背后水壓力在汽車荷載30 kPa 時的環(huán)向分布情況

4 結(jié)論

(1)考慮到隧道施工過程對服役性能有影響,建立反映施工過程的三維滲流應(yīng)力耦合數(shù)值模型;通過對比初襯拱頂豎向位移的現(xiàn)場實測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果,表明數(shù)值模擬結(jié)果具有參考價值.

(2)雙洞靠近中夾巖側(cè)二襯的豎向位移略大于遠(yuǎn)離中夾巖側(cè)二襯的豎向位移.

(3)隨著汽車荷載從無到有并且逐漸增大,雙洞二襯的上浮量逐漸減小,雙洞二襯的最大拉應(yīng)力也逐漸減小,施加汽車荷載可以降低隧底較大水浮力的影響.從這些角度考慮,靜力計算最危險的情況為不考慮內(nèi)部汽車荷載的情況,以最危險的情況計算設(shè)計出的二襯結(jié)構(gòu)最安全.

(4)汽車荷載對下部二襯的影響要比對上部二襯的影響大.建議類似隧道采取以下措施減小甚至消除汽車動荷載產(chǎn)生的不利影響:①仰拱二襯比拱墻二襯加厚10 cm;②采用同一種高強度防水混凝土,把仰拱二襯與仰拱填充澆筑成為一個整體;③提高路面材料的抗沖擊性能.在采取上述措施后,采用荷載結(jié)構(gòu)法或者地層結(jié)構(gòu)法對二襯進行靜力計算,靜力計算時不考慮內(nèi)部汽車荷載,最后求出二襯的內(nèi)力或應(yīng)力,進行鋼筋配置.

(5)瀏陽河公路隧道已經(jīng)建成并且安全服役了10年,實踐證明本文提出的建議具有一定參考價值.