趙 平 徐 鋒, 王華東 王 剛 吳法博 韓煜坤 鄭程程 劉廷方

(1.中交一航局城市交通工程有限公司, 天津 300457; 2.山東省土木工程防災減災重點實驗室(山東科技大學), 山東青島 266590; 3.福建工程學院土木工程學院, 福州 350118)

交通隧道包括鐵路、公路和軌道交通等交通和運輸領域的隧道工程。我國幅員遼闊,山地眾多,需要大量的鐵路、公路等設施。[1]21世紀以來,我國在建及建成的公路隧道數(shù)量迅速上升。根據(jù)中華人民共和國交通運輸部公開數(shù)據(jù)[2],截至2021年底,中國(不含港、澳、臺地區(qū))公路隧道總數(shù)量為23 268座、總里程為24 698.9 km。

在隧道建設突飛猛進的同時,也出現(xiàn)了一系列隧道缺陷問題,在地形地質、天氣氣候、前期勘探勘察質量、后期設計施工運營等因素的影響下,隧道襯砌往往會出現(xiàn)不同類型的病害,如隧道的滲水、襯砌后的空洞、襯砌厚度缺陷、襯砌裂縫等。隧道襯砌厚度不足及襯砌裂縫擴展作為其中常見的病害,自然而然引起了許多國家和地區(qū)的關注。[3]

許多學者對隧道襯砌厚度不足及襯砌裂縫擴展問題展開了深入探討。理論研究方面,王春景等通過襯砌的安全系數(shù)對隧道安全性進行評價。[4]楊萍結合風險管理理論研究了襯砌厚度不足對襯砌結構安全的影響。[5]數(shù)值模擬方面,盛世勇通過MIDAS GTS軟件對襯砌厚度不足及不同加固方法處理后的隧道結構進行模擬分析,結果表明:襯砌厚度不足會影響襯砌結構的安全,且混凝土加固效果比鋼板加固較好。[6]李樂樂等利用ANSYS有限元軟件,同時結合荷載結構法對二次襯砌厚度局部不足進行分析,研究表明缺陷處的內力和安全系數(shù)會明顯降低。[7]文獻[8-9]介紹了利用ANSYS軟件對不同圍巖等級、不同支護方式及有無缺陷等工況的模擬,對比分析了襯砌不同位置處的內力和安全系數(shù),研究發(fā)現(xiàn):拱頂、拱腰、邊墻為敏感部位,厚度不足會使安全系數(shù)明顯降低。

隧道襯砌缺陷會引發(fā)襯砌開裂,國內外學者針對襯砌裂縫演化規(guī)律進行了大量的研究,通過理論推導、模型試驗、現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬等手段,取得了大量成果。王建秀等以云南某高速公路隧道為背景,結合襯砌裂縫擴展的監(jiān)測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)不均勻沉降和不合理施工工序對襯砌開裂的影響較大,并給出了相應的加固方法。[10]黃宏偉等對公路隧道進行了大量的襯砌裂縫檢測,總結了襯砌裂縫的分布規(guī)律,并通過XFEM方法模擬分析裂縫擴展過程,研究結果表明圍巖等級對裂縫數(shù)量影響明顯。[11]Song等通過現(xiàn)場調查和室內模型試驗,研究了公路隧道二次襯砌的裂縫演化及破壞過程。[12]文獻[13-15]介紹了使用ANSYS對隧道襯砌開裂的模擬,研究了不同環(huán)境溫度影響下不同尺寸的裂縫擴展過程。

總體而言,目前有關隧道襯砌厚度不足對隧道結構安全性的影響研究,大多是基于連續(xù)襯砌厚度不足工況進行的,對隧道襯砌厚度不足及其空間分布形式的關注較少。此外,隧道襯砌厚度不足對裂縫擴展規(guī)律的影響也亟待進一步探索。

鑒于此,將通過設置隧道不同襯砌厚度和不同空間分布形式,研究隧道襯砌厚度不足對隧道結構安全性的影響,并運用ABAQUS數(shù)值模擬軟件,在襯砌結構中嵌入零厚度黏聚力單元,研究隧道襯砌厚度不足對其裂縫擴展規(guī)律的影響。

1 控制方程

1.1 襯砌結構安全系數(shù)計算

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》,混凝土和砌體矩形截面軸心及偏心受壓構件的抗壓強度按式(1)計算:

KN≤φαRabh

(1)

其中

(1b)

式中:K為安全系數(shù);φ為構件縱向彎曲系數(shù),對于隧道襯砌結構可取1;N為軸向力;b為截面寬度;h為截面厚度;Ra為混凝土或砌體的極限抗壓強度;e0為軸向力偏心距;α為軸向力偏心影響系數(shù)。

按抗裂要求,混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度按式(2)計算:

(2)

式中:Rl為混凝土的極限抗拉強度。

1.2 襯砌結構裂縫模擬

選擇雙線性牽引分離準則研究襯砌結構的裂縫擴展。雙線性牽引分離準則假定材料滿足損傷起始準則前,服從初始線彈性行為;到達起始損傷點后,材料剛度逐漸退化直至完全破壞。模型本構關系如圖1所示。

圖1 雙線性牽引-分離準則

雙線性牽引分離準則模型包含了兩個階段:1)線彈性階段,該階段黏聚力單元未發(fā)生損傷,單元剛度為常數(shù);2)線性損傷階段,該階段為黏聚力單元損傷演化階段,單元剛度持續(xù)下降。其初始線彈性階段可表示為式(3)[16]:

(3)

式中:t為名義牽引力;εn、εs、εt為名義應變的三個分量;δn、δs、δt為結點分離位移的三個分量;En、Es、Et為彈性模量三個分量;K為黏聚力單元的剛度矩陣。

為描述損傷演化的程度,引入損傷變量D,隨荷載的增大損傷變量值由初始的0變化為1,此時黏聚力單元達到極限承載力,設置黏聚力單元自動刪除,在原本連續(xù)排布的單元中形成自由邊,即產(chǎn)生裂縫。損傷變量D可由式(4)計算:

(4)

式中:δmf為加載期間獲得的最大有效相對位移;δm0為初始損傷位移;δf為斷裂完全損傷時的位移。

對于正常和剪切破壞模式的任意組合,斷裂起始定義為混合模式,即式(3)中定義的牽引力是非耦合的,采用二次應力損傷起始準則可表示為:

(5)

當二維應力與相應規(guī)定損傷起始牽引力之比為1時,假設發(fā)生初始損傷。在內聚單元損傷開始后服從式(6a)～(6c),通過剛度退化對損傷演化進行建模。

(6a)

(6b)

(6c)

黏聚力單元可以模擬三種基本斷裂形式:Ⅰ型張開裂縫、Ⅱ型滑移裂縫和Ⅲ型撕開裂縫。為研究襯砌結構中斷裂的破壞形式,通過修改關鍵詞添加MMIXDMI和MMIXDME兩個參數(shù),并使用Gn、Gs和Gt表示法向、第一和第二剪切方向上牽引力及其共軛相對位移所做的功,其定義如式(7):

GT=Gn+Gs+Gt

(7)

式中:Gn、Gs、Gt分別為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型斷裂能。

基于能量的模式混合定義如下:

(8a)

(8b)

(8c)

式中:m1、m2、m3分別為斷裂能Gn、Gs、Gz與GT(三型斷裂能之和)的比值;比值為1,表示完全破壞時,對應的MMIXDME和MMIXDMI數(shù)值為0;比值為0,表示完全破壞時,對應的MMIXDME和MMIXDMI數(shù)值為1。通過MMIXDME和MMIXDMI的數(shù)值大小,可以判斷在襯砌結構中黏聚力單元的破壞形式。

2 數(shù)值計算方案設計

2.1 數(shù)值模型的建立

基于ABAQUS有限元軟件建立三維的模型,并在實體單元中嵌入零厚度黏聚力單元,研究襯砌厚度不足條件下的隧道結構安全性以及襯砌結構裂縫擴展規(guī)律。以廣西某工程隧道Ⅳ級圍巖段的工程概況為依據(jù),建立隧道開挖模型。在進行數(shù)值模擬計算時,很難將實際情況在軟件中完全還原,因此須設定合適的邊界來保證計算的正確性。根據(jù)圣維南原理[17-18],局部區(qū)域劃分的網(wǎng)格疏密對離隧道開挖較遠區(qū)域的影響很小,同時參考前人研究成果[19-22],在建模時模型左、右兩側各取約4倍的隧道直徑,以避免邊界效應。模型頂部不承受荷載,模型左、右兩側限制其水平位移,模型底部限制其豎向位移,同時將隧道開挖位置處的網(wǎng)格進行加密。整體模型高為60 m,寬為48 m,隧道進尺為15 m,具體尺寸如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型 m

2.2 工況統(tǒng)計

通過設置不同襯砌厚度、不同減薄位置、不同減薄分布形式,探究厚度不足對襯砌結構安全性的影響。分別在拱頂、拱肩、邊墻三個典型位置進行襯砌減薄,同時每個位置設置兩種不同空間分布形式,分別為集中型分布和分散型分布。集中型襯砌減薄和分散型襯砌減薄的減薄面積相同,前者為一個整體區(qū)域,后者分布較為離散,具體分布狀況見圖2。在襯砌不同位置進行不同程度的減薄,厚度分別減薄0.10,0.15,0.20,0.30 m,共計25種工況,具體模擬工況如表1所示。圍巖及襯砌的力學參數(shù)分別如表2、表3所示。

表1 數(shù)值模擬工況

表2 Ⅳ級圍巖參數(shù)

表3 隧道襯砌Ⅳ-b支護參數(shù)

2.3 黏聚力單元參數(shù)的確定

采用隧道Ⅳ級圍巖段現(xiàn)場襯砌施工過程中的C30混凝土,制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試件,在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后進行單軸壓縮試驗。當單軸壓縮數(shù)值模擬的破壞模式與室內試驗結果高度一致時,認為該套模型參數(shù)可用于隧道襯砌減薄數(shù)值模擬中。單軸壓縮數(shù)值模擬與室內試驗結果對比如圖3所示,黏聚力單元材料參數(shù)見表4。

表4 黏聚力單元材料參數(shù)

圖3 單軸壓縮數(shù)值模擬與室內試驗結果對比

將每級加荷載量定為1 MPa,對模型頂部施加從0～10 MPa的逐級荷載,并考慮重力作用,用以保證襯砌結構的起裂和裂縫的擴展?；贏BAQUS中嵌入的牽引-分離準則,在有限元模型全局嵌入零厚度黏聚力單元以建立三維隧道模型,如圖4所示。對襯砌結構的實體單元采用C3D4單元,黏聚力單元采用COH3D6單元,共計70 875個實體單元和163 980個黏聚力單元。

圖4 黏聚力單元嵌入流程

3 襯砌厚度不足對襯砌結構安全性的影響分析

3.1 完整襯砌結構安全性分析

為探究襯砌厚度不足對襯砌結構安全性的影響,首先進行完整襯砌結構的安全性分析,在襯砌模型上設置了10個監(jiān)測點,具體布置如圖5所示,用以獲取襯砌結構的軸力與彎矩。

圖5 襯砌監(jiān)測點布置

襯砌各部位的安全系數(shù)如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn):監(jiān)測點安全系數(shù)呈現(xiàn)從拱頂?shù)焦澳_逐漸減小的趨勢,拱頂處的安全系數(shù)最大,為9.12,拱腳處的安全系數(shù)最小,為4.00,拱肩和拱腰的安全系數(shù)分別為7.42和6.11,邊墻與拱腳處的安全系數(shù)較為接近,為4.21。由于拱腳處易發(fā)生應力集中現(xiàn)象,其安全系數(shù)最小,施工過程中應著重關注此部位。

3.2 襯砌厚度對襯砌結構安全性影響分析

3.2.1拱頂襯砌厚度不足

圖7為拱頂襯砌厚度不足分散型分布時隧道襯砌結構內力。隨著襯砌厚度的逐漸減小,襯砌處軸力和彎矩呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,其中彎矩的變化幅度較大,在拱頂附近拱肩部位的軸力略微增大,這是因為缺陷的存在使得圍巖應力重新分布?？偟膩碚f,襯砌厚度不足會導致隧道襯砌結構的承載力降低,隨著厚度的減小,襯砌薄弱部位對隧道結構的安全威脅越大。

a—軸力; b—彎矩。

圖8為拱頂襯砌厚度不足分散型分布時襯砌結構安全系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn):隨著襯砌厚度的減小,拱頂位置處安全系數(shù)顯著減小,拱肩位置處安全系數(shù)略微增大,其他部位安全系數(shù)的變化較小,襯砌整體結構的安全性降低。

3.2.2拱肩襯砌厚度不足

圖9為拱肩襯砌厚度不足分散型分布時襯砌結構內力。可以發(fā)現(xiàn):隨襯砌厚度的逐漸減小,拱肩處的軸力和彎矩逐漸減小,其余部位軸力和彎矩基本不受影響。邊墻、拱腳處軸力穩(wěn)定在較高值,拱頂和右拱腰部位的軸力有小幅度的提升,彎矩沒有明顯變化。當襯砌厚度減薄0.30 m時,拱肩的軸力下降到最小值,為8.4 MN,同時彎矩也降低到最小值,為112 kN·m。

a—軸力; b—彎矩。

圖10為拱肩襯砌厚度不足分散型分布時襯砌結構安全系數(shù)。可以發(fā)現(xiàn):隨著襯砌厚度的減小,拱肩部位的安全系數(shù)顯著降低,拱頂、右拱腰部位由于受軸力、彎矩變化的影響,其安全系數(shù)有小幅下降,襯砌整體結構存在一定的安全隱患。

3.2.3邊墻襯砌厚度不足

圖11為邊墻襯砌厚度不足分散型分布時襯砌結構內力。可以發(fā)現(xiàn):隨著襯砌厚度的逐漸減小,襯砌厚度不足處的軸力和彎矩呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,這與拱頂、拱肩部位軸力和彎矩隨減薄厚度的變化規(guī)律一致。

a—軸力; b—彎矩。

圖12為邊墻襯砌厚度不足分散型分布時襯砌結構安全系數(shù)。可以看出:隨著邊墻部位襯砌厚度的不斷減小,邊墻處的安全系數(shù)顯著降低,拱腰、拱腳處的安全系數(shù)小幅增大,拱腳處安全系數(shù)基本不變。

3.3 襯砌減薄位置對襯砌結構安全性影響分析

選取襯砌厚度減薄0.30 m、襯砌減薄分布形式為分散型分布的工況,探究襯砌減薄位置對隧道襯砌結構安全性的影響。圖13為各部位襯砌結構內力?？梢园l(fā)現(xiàn):在去除減薄位置軸力的前提下,軸力的分布呈現(xiàn)從拱頂?shù)焦暗紫仍龃蠛鬁p小的趨勢,當存在襯砌厚度不足的情況時,厚度不足區(qū)域的軸力減小。拱頂?shù)妮S力在拱頂襯砌厚度不足時下降程度最大,在拱肩襯砌厚度不足時拱頂軸力小幅增大,在邊墻襯砌厚度不足時拱頂軸力變化較小。其余部位軸力的分布規(guī)律基本與拱頂一致,均為襯砌減薄區(qū)域軸力大幅減小,周邊部位軸力小幅增大,遠離襯砌減薄區(qū)域的位置基本不受影響。對比各部位彎矩值可以發(fā)現(xiàn):襯砌厚度不足部位的彎矩明顯減小,其余部位的彎矩值在襯砌減薄前后基本無變化。

a—軸力; b—彎矩。

圖14為襯砌厚度減薄0.3 m、襯砌減薄分布形式為分散型分布時各部位襯砌結構安全系數(shù)。安全系數(shù)在襯砌厚度不足部位明顯降低,其中,拱頂安全系數(shù)從9.1降低到4.8,拱肩安全系數(shù)從7.5降低到4.5,邊墻安全系數(shù)從4.2降低到2.4,拱頂厚度不足對襯砌結構安全的影響最大。當拱頂襯砌厚度不足時,拱肩安全系數(shù)小幅增大,其余部位安全系數(shù)基本不變;當拱肩襯砌厚度不足時,拱頂和拱腰部位的安全系數(shù)小幅增大,其余部位安全系數(shù)不變;當邊墻襯砌厚度不足時,拱腰和拱腳部位的安全系數(shù)有小幅增大,其余部位的安全系數(shù)變化較小。總體而言,襯砌安全系數(shù)在襯砌厚度不足部位減小,在減薄區(qū)域附近小幅度增大,拱頂襯砌厚度不足對襯砌結構安全性的影響最大。

3.4襯砌減薄分布形式對襯砌結構安全性影響分析

選取襯砌厚度減薄0.3 m、拱頂、拱肩、邊墻部位襯砌減薄時的工況,探究襯砌厚度不足時不同分布形式對隧道結構安全性的影響。圖15為典型位置處襯砌減薄不同分布形式的安全系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn):拱頂部位襯砌減薄分散型分布時,其安全系數(shù)為4.8,集中型分布時,其安全系數(shù)為5.6;拱肩部位襯砌減薄分散型分布時,其安全系數(shù)為5.3,集中型分布時,其安全系數(shù)為5.8;邊墻部位襯砌減薄分散型分布時,其安全系數(shù)為2.4,集中型分布時,其安全系數(shù)為2.1?？涩F(xiàn),襯砌減薄分散分布時對拱頂、拱肩的安全系數(shù)影響較大,集中分布時對邊墻安全系數(shù)影響較大。

4 襯砌厚度不足對襯砌裂縫演化的影響分析

4.1 工況統(tǒng)計

為研究襯砌厚度不足對襯砌結構開裂及裂縫擴展的影響,設置了完整襯砌、拱頂厚度不足、拱肩厚度不足及邊墻厚度不足四種類型,襯砌厚度不足分散型分布和集中型分布兩種形式,襯砌厚度分別減薄0.15,0.3 m,具體工況如表5所示。

表5 襯砌開裂數(shù)值模擬工況

4.2 完整襯砌結構裂縫擴展規(guī)律

圖16為完整襯砌開裂過程。完整襯砌結構加載過程大致可分為四個階段:初始階段、仰拱和拱腳起裂、拱頂和拱肩起裂和裂縫擴展階段。初始階段(圖16a),襯砌結構未出現(xiàn)裂縫,黏聚力斷裂能不斷增大,但尚并未達到黏聚力單元損傷的條件;加載1 MPa時(圖16b),在仰拱和拱腳內側產(chǎn)生微小裂縫;加載到2 MPa時(圖16c),襯砌拱腳內側的裂縫擴展延伸,由于圍巖壓力作用,在拱頂和拱肩內側也產(chǎn)生部分裂縫;加載到7 MPa時(圖16d),拱頂和拱肩部位的裂縫逐漸擴展延伸;加載到8 MPa時(圖16e、16f),邊墻部位產(chǎn)生裂縫,拱肩部位的裂縫深度不斷加深,逐漸延伸到襯砌外側,同時在襯砌外側的邊墻部位也產(chǎn)生裂縫并擴展;加載到9 MPa時(圖16h),拱頂、拱肩及邊墻部位的裂縫不斷增多且擴展延伸,同時襯砌外表面裂縫也不斷增大,在拱底中軸線處產(chǎn)生一條裂縫;加載到10 MPa時(圖16i、圖16j),襯砌各個部位的裂縫擴展迅速,產(chǎn)生的裂縫數(shù)量不斷增加,拱底處的裂縫逐漸擴展延伸成一條貫通的直線裂縫,同時襯砌外表面的裂縫急劇增加。

圖16 完整襯砌開裂過程

完整襯砌結構的裂縫先從仰拱、拱腳處萌生,然后是拱頂位置,最后是邊墻位置,且襯砌內側先出現(xiàn)裂縫,隨后是襯砌外表面裂縫萌生,最終襯砌結構整體失效。提取數(shù)值模擬中完整襯砌結構的軸力,通過式(1)計算模擬結果的安全系數(shù),并與現(xiàn)場實測安全系數(shù)結果進行對比,結果如圖17所示?？梢?安全系數(shù)模擬計算結果與現(xiàn)場實測結果數(shù)值相近,吻合度較高,能夠說明數(shù)值模擬的正確性。

4.3 襯砌厚度對襯砌裂縫擴展規(guī)律的影響

4.3.1拱頂襯砌不同厚度

選取襯砌厚度減薄0.15,0.30 m,襯砌減薄分布形式為分散型分布的工況,探究襯砌厚度對襯砌裂縫擴展規(guī)律的影響。圖18為拱頂襯砌不同厚度下襯砌裂縫擴展過程。加載4 MPa時,襯砌內側的拱頂部位首先出現(xiàn)微小裂縫,襯砌單元破壞類型以剪切破壞為主,隨著拱頂襯砌厚度的減小,拱頂處破裂單元數(shù)量明顯增多,裂縫更為明顯;加載7 MPa時,襯砌外側拱肩和邊墻部位出現(xiàn)裂縫,隨著拱頂襯砌厚度的減小,襯砌減薄區(qū)域邊緣單元破壞類型由拉伸破壞為主轉變?yōu)榧羟衅茐臑橹?加載9 MPa時,拱頂、拱肩與邊墻部位的裂縫數(shù)量明顯增多,襯砌減薄區(qū)域同時存在剪切破壞單元和拉伸破壞單元,隨著拱頂襯砌厚度的減小,襯砌內側拱頂部位的裂縫擴展速度增大,拱底裂縫長度增長;加載10 MPa時,襯砌外表面產(chǎn)生大量裂縫,隨著拱頂襯砌厚度的減小,襯砌外表面和拱頂減薄區(qū)域的裂縫數(shù)量明顯增多。

a—厚度減薄0.15 m; b—厚度減薄0.30 m。

4.3.2拱肩襯砌不同厚度

圖19為拱肩襯砌厚度不同減薄下襯砌裂縫擴展過程。加載4 MPa時,裂縫首先萌生于襯砌內側拱肩部位,隨著拱肩襯砌厚度的減小,襯砌內側拱肩部位裂縫數(shù)量明顯增多,襯砌外側減薄區(qū)域邊緣黏聚力單元損傷時間提前;加載7 MPa時,襯砌內側拱頂部位出現(xiàn)開裂,襯砌外表面減薄區(qū)域邊緣單元破壞類型以剪切破壞為主,隨著拱肩襯砌厚度的減小,邊墻裂縫逐漸向襯砌外側擴展,襯砌外側減薄區(qū)域邊緣單元破壞類型由剪切破壞向拉伸破壞過渡;加載9 MP時,隨著拱肩襯砌厚度的減小,邊墻部位的裂縫迅速擴展,襯砌內側拱肩部位裂縫的長度迅速增加;加載10 MPa時,襯砌外表面裂縫長度最長、數(shù)目最多,隨著拱肩襯砌厚度的減小,拱肩部位愈發(fā)薄弱,邊墻處出現(xiàn)的裂縫數(shù)量增加,黏聚力損傷單元的數(shù)目增多。

a—厚度減薄0.15 m; b—厚度減薄0.30 m。

4.3.3邊墻襯砌不同厚度

圖20為邊墻襯砌厚度不同減薄下襯砌裂縫擴展過程。加載4 MPa時,裂縫首先萌生于襯砌內側仰拱處,隨著邊墻襯砌厚度的減小,與右邊墻減薄部位對稱的左邊墻裂縫數(shù)量逐漸增多,襯砌左拱肩部位開始出現(xiàn)剪切破壞為主的黏聚力損傷單元;加載7 MPa時,拱頂裂縫數(shù)量增多,邊墻產(chǎn)生兩條新的裂縫,在襯砌減薄部位靠近拱頂?shù)倪吘壋霈F(xiàn)破裂單元,隨著邊墻襯砌厚度的減小,黏聚力單元破壞數(shù)量增加;加載10 MPa時,仰拱部位出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫,拱肩部位存在著縱向、斜向和環(huán)向裂縫,以縱向裂縫為主,隨著邊墻襯砌厚度的減小,裂縫數(shù)量明顯增多,減薄區(qū)域黏聚力損傷單元數(shù)量顯著增多。

a—厚度減薄0.15 m; b—厚度減薄0.30 m。

4.4襯砌減薄分布形式對襯砌裂縫擴展規(guī)律的影響

由前文分析可知:隧道襯砌厚度減薄越大,隧道不同位置的襯砌裂縫萌生、擴展所受的影響也越大。下面將以拱頂部位為例,探究襯砌減薄分布形式對襯砌裂縫擴展規(guī)律的影響。

圖21為拱頂襯砌厚度減薄0.3 m、不同減薄分布形式下的裂縫擴展過程。加載4 MPa時,襯砌減薄集中型分布和分散型分布均在減薄部位非減薄區(qū)域的內側首先產(chǎn)生裂縫;加載7 MPa時,襯砌減薄集中型分布和分散型分布在襯砌內側拱頂位置產(chǎn)生的裂縫數(shù)量均增多、長度均增長,裂縫擴展速度均加快,集中型分布的裂縫面積較大;加載10 MPa,襯砌減薄集中型分布和分散型分布在拱頂部位襯砌內側的裂縫均逐漸擴展成沿隧道進尺方向的貫通型縱向裂縫,集中型分布的裂縫面積大于分散型分布的裂縫面積。

a—加載4 MPa; b—加載7 MPa; c—加載10 MPa。

通過對隧道襯砌不同減薄分布形式下的模擬分析,可以發(fā)現(xiàn):拱頂部位襯砌減薄集中型分布和分散型分布對裂縫擴展規(guī)律的影響基本一致,都是在減薄部位非減薄區(qū)域的襯砌內側先產(chǎn)生裂縫,隨后向周圍擴展;襯砌減薄集中型分布產(chǎn)生的裂縫面積始終大于襯砌減薄分散型分布產(chǎn)生的裂縫面積。

5 結束語

以廣西某高速公路隧道工程為背景,運用數(shù)值模擬手段,結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),對隧道襯砌厚度不同減薄、不同減薄位置、不同減薄分布形式下隧道襯砌結構安全性展開分析,對隧道襯砌開裂與裂縫擴展過程進行研究,主要結論如下:

1)對于完整襯砌結構,安全系數(shù)呈現(xiàn)從拱頂?shù)焦澳_逐漸減小的趨勢,在拱頂處的安全系數(shù)最大,在拱腳處的安全系數(shù)最小;隨著襯砌厚度的減小,減薄部位的襯砌結構安全系數(shù)減小;不同襯砌減薄位置下,拱頂部位襯砌厚度不足對襯砌結構安全性的影響最大;不同襯砌減薄分布形式下,分散型分布對拱頂、拱肩處安全性影響較大,集中型分布對邊墻安全性影響較大。

2)完整襯砌結構在逐級荷載作用下,裂縫首先是從仰拱、拱腳處萌生,然后是拱頂,最終在邊墻處出現(xiàn)裂縫;不同襯砌厚度下,裂縫首先出現(xiàn)在減薄區(qū)域對應的襯砌內側,隨著襯砌厚度的減小,裂縫數(shù)量增多、擴展速度加快,襯砌單元破壞時間提前;不同襯砌減薄分布形式下,拱頂襯砌減薄集中型分布和分散型分布均在減薄部位非減薄區(qū)域的襯砌內側先產(chǎn)生裂縫,隨后向周圍擴展,襯砌減薄集中型分布產(chǎn)生的裂縫面積大于襯砌減薄分散型分布產(chǎn)生的裂縫面積。