基于地层结构法的隧道衬砌结构受力数值分析

2020-08-19徐文腾

四川建材 2020年8期

徐文腾

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 前言

我国是一个山地众多的国家，在山地为主的城市中，要修建许多的隧道。隧道的修建，让“穿山越岭”变得更简单，给军事及人们的生活带来了极大的便利。在进行隧道设计过程时，必须要重点注意衬砌结构所受的力，这关系到整体结构的安全，可一旦过于考虑安全储备，这也将导致整体建设不经济的局面。而目前在进行隧道设计时，很多时候都是根据经验设计，并未精确地计算出衬砌结构各部分所受的内力，这将严重地浪费资金，对于隧道的建设而言，并非可行之举。近年来，不少学者分别通过理论计算以及数值模拟对隧道衬砌内力进行了计算及分析[1-5]。其中，大部分学者都是基于荷载结构法，建立荷载结构模型来进行内力分析。荷载结构法是将地层与衬砌分开考虑，将地层视作为一种荷载，施加在衬砌结构上。而地层结构法是将衬砌与地层视为一个承载体，二者共同承担荷载。根据规范可知，地层自身能承受很大一部分荷载，相比于地层结构法而言，荷载结构法完全忽略了地层的自承能力。在进行隧道设计时，如果采用荷载结构法，足够保证结构安全的同时，并未很好地体现设计的经济性。现以某隧道为例，通过采用地层结构法，计算出围岩压力，结合《公路隧道设计规范》(JTG3370.1—2018)(以下简称《隧规》)得出二衬所分担的荷载，再用ANSYS进行数值模拟，得出结构的变形图和受力图，并且做出分析。

1 计算及建模

1.1 计算背景及衬砌荷载计算

已知某隧道为山岭隧道，地下水不丰富且不产生显著偏压力。该隧道围岩等级为Ⅳ级，埋深为21 m，隧道开挖半径为10.5 m。岩土体容重为22 kN/m3，弹性模量为3.2 GPa。土体泊松比为0.32，基床系数取400 MPa/m，凝聚力为0.5 MPa，内摩擦角为35°，衬砌结构采用C30混凝土。

本次采用的是“地层结构法”对隧道衬砌进行设计计算，这体现了设计的经济性。首先结合《隧规》进行围岩压力的计算，其中，水平荷载和竖向荷载均近似按照均布荷载考虑。

判断深浅埋隧道：

ω=1+i(B-5)=1+0.1(10.5-5)=1.55

(1)

q=0.45×2s-1×γω
=0.45×23×22×1.55=122.76kPa

(2)

(3)

隧道埋深大于2.5倍hq，故为深埋隧道。

竖向压力为122.76 kN/m3，水平土压根据经验公式：

e=0.3×122.76=36.828kPa

(4)

由于本次计算对象为Ⅳ级围岩，通过围岩压力与二衬承受的荷载分担比例可知：地层自身可承担荷载的60%，二衬只需承担40%。

q’=0.4q=49.104 kPa

(5)

e’=0.4e=13.731 kPa

(6)

1.2 有限元模型的建立

本次数值模拟采用的是ANSYS通用有限元软件建立地层-结构模型，建模时，围岩结构用Beam3梁单元模拟，围岩与衬砌二者的关系采用的是弹簧单元Combination14来模拟。首先确定好点的坐标，建立隧道模型并划分好网格,在隧道四周建立弹簧单元。接着，就是根据隧道实际情况对模型施加约束，并且对其施加竖向及水平荷载。在用ANSYS模拟时，荷载只能施加在节点上，故需要计算出每个结点的等效节点力，计算方法是取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷的总和[3]。施加载荷后隧道结构模型如图1所示。

图1 隧道加载图

2 计算结果分析

通过建立地层-结构模型，计算出隧道结构变形图(见图2)，又由于隧道围岩在实际情况下受压不受拉，故需要重新分析。根据图2，找出图中受拉弹簧单元，赋予受拉弹簧单元死属性，并重新加载。求解，最终得到隧道结构变形图(见图3)、结构弯矩图(见图4)、结构剪力图(见图5)，结构轴力图(见图6)。

图2 变形图

图3 最终变形图

图4 弯矩图

图5 剪力图

图6 轴力图

从结构的最终变形图3可以看出，隧道的变形主要发生在隧道顶部以及仰拱中部，最大变形位移为6.433 mm。由于上覆土的重力以及地层对仰拱的反力再加上围岩对隧道的约束作用使得衬砌侧向位移很小，隧道顶部以及仰拱产生相反方向的位移。结构的弯矩图4表明隧道顶部、仰拱中部以及拱脚处弯矩较大。仰拱中部弯矩达到了297 793 N·m,拱脚处弯矩达到了233 059 N·m。从结构的剪力图5可以看出：拱脚处剪力较大，其中左侧达到了344 109 N，右侧达到了306 317 N。从结构的轴力图6可以看出：整个结构几乎都处于受压状态，其中顶部轴力最小，最大轴力为645 311 N。从以上分析可知：在设计与施工时，仰拱中部、隧道顶部以及拱脚处需引起高度重视。上述部位均为隧道危险部位，需采取一些专门的处理措施。如增加隧道顶部锚杆的密度，防止隧道顶部坍塌；增强仰拱中部抗弯抗拉能力从而保证其安全；在拱脚处，可以通过增大拱脚支座并且设置拱脚锚杆等措施来保证拱脚的安全。