基于安全度的黃土隧道結(jié)構(gòu)承載性能分析

王亞瓊　汪珂　劉彤　邱軍領(lǐng)　董偉偉

摘要：基于八仙峁隧道、麻塌隧道2組典型斷面二襯混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了二襯混凝土在黃土隧道中應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律；通過換算得到二襯結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力，將換算結(jié)果代入安全度應(yīng)力表達(dá)式，得出該斷面下黃土隧道二襯安全度分布，并與有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在黃土隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)中，二襯混凝土結(jié)構(gòu)不僅作為安全儲(chǔ)備，而且往往需要承受大部分荷載，通過數(shù)值模擬確定二襯承受的荷載約為圍巖荷載的40%；二襯混凝土結(jié)構(gòu)作為受壓構(gòu)件，其最大應(yīng)變出現(xiàn)在邊墻底部位置；數(shù)值模擬與計(jì)算所得二襯安全度分布規(guī)律基本一致，拱頂、拱肩、邊墻底部仰拱部位安全度相對(duì)較小但滿足規(guī)范要求，仰拱底部所受壓應(yīng)力最大且安全度未滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：黃土隧道；有限元法；承載性能；數(shù)值模擬；安全度

中圖分類號(hào)：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引 言

伴隨著中國中部崛起、西部開發(fā)戰(zhàn)略決策的持續(xù)深入推進(jìn)，公路交通建設(shè)勢(shì)必成為中西部發(fā)展的首要任務(wù)，黃土公路隧道的研究越來越受到工程界和學(xué)術(shù)界的重視，針對(duì)該領(lǐng)域的相關(guān)研究也陸續(xù)開展。趙占廠等[1-2]對(duì)黃土隧道圍巖壓力和二襯混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化及應(yīng)變沿襯砌輪廓分布情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力先增大后減小，而后趨于穩(wěn)定，且實(shí)測(cè)值較理論計(jì)算值略??；來弘鵬等[3]通過對(duì)青土峴隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了作用于初支和仰拱上的圍巖壓力、初支和二襯之間接觸壓力，結(jié)果顯示，作用于初支上面的圍巖壓力分布不均，壓力分布表現(xiàn)出典型的貓耳朵狀，且壓力最大處發(fā)生在邊墻底部位置，仰拱所受地基反力相對(duì)較??；韓桂武等[4]依托三十里鋪隧道開展相關(guān)測(cè)試，對(duì)淺埋黃土隧道中作用于初支上的圍巖壓力以及初支與二襯混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律及應(yīng)變沿輪廓分布特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在7～10 d作用于初支上的圍巖壓力達(dá)到峰值，在二襯混凝土施作初期，二襯應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，一段時(shí)間后拉應(yīng)變?nèi)哭D(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變；來弘鵬等[5]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)某黃土公路隧道二襯開裂的病害特征以及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明，黃土浸水導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，變形增大，使襯砌結(jié)構(gòu)拱頂內(nèi)側(cè)、邊墻底部外側(cè)被拉裂，進(jìn)而使邊墻底部內(nèi)側(cè)被壓裂；霍潤科等[6]對(duì)定西隧道典型斷面圍巖變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并利用有限元軟件進(jìn)行模擬，對(duì)開挖擾動(dòng)下初支的受力特性進(jìn)行研究，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；李鵬飛等[7]對(duì)蘭渝鐵路胡麻嶺隧道初支和二襯接觸壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并討論了該接觸壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律及其沿隧道周邊的空間分布情況；來弘鵬等[8]以西安地鐵二號(hào)線工程為依托，對(duì)其進(jìn)行了長期監(jiān)測(cè)，分析了作用于初支上的圍巖壓力和初支與二襯接觸壓力及二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力，對(duì)作用于襯砌結(jié)構(gòu)各部分的荷載比例進(jìn)行了量化分析；周濟(jì)民等[9]以某地鐵工程為依托，對(duì)作用于管片襯砌結(jié)構(gòu)的土荷載、水荷載以及主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)試，并對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)代入計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較接近；周燁[10-11]運(yùn)用有限元法對(duì)在建黃土隧道進(jìn)行數(shù)值分析，研究了開挖結(jié)束后初支的最佳施作時(shí)間，并通過對(duì)該隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)初支的受力規(guī)律進(jìn)行了研究；田世雄[12]以甘肅某黃土隧道為依托，通過數(shù)值模擬對(duì)直墻式和曲墻式2種斷面形式分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，曲墻式襯砌的受力特性更加優(yōu)越。針對(duì)黃土垂直節(jié)理的研究也有較多文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道，王景明等[13-15]認(rèn)為黃土中存在的垂直節(jié)理是黃土和黃土狀巖石最普遍而特殊的性質(zhì)，并視其為黃土的主要特征之一。李同錄等[16]通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M自然沉積作用下黃土中水的滲透性，建立一理想顆粒排列模型，利用TEN-15型張力計(jì)實(shí)測(cè)的土-水特征曲線研究黃土垂直節(jié)理形成機(jī)理。王正貴等[17]利用野外考察、理論分析和模擬試驗(yàn)對(duì)黃土垂直節(jié)理形成機(jī)制進(jìn)行了探討。羅揚(yáng)[18]通過數(shù)值模擬對(duì)黃土節(jié)理滲透性進(jìn)行了研究。樂崇浩[19-20]試驗(yàn)研究了三軸減壓條件下裂隙性黃土的力學(xué)特性。這些研究結(jié)果均表明，黃土的垂直節(jié)理裂隙影響著黃土的滲透特性并使其力學(xué)特性與其他土壤大不相同。

上述對(duì)不同地區(qū)黃土隧道襯砌受力特性研究的結(jié)論大致相同，初支邊墻底部壓力較大，圍巖壓力整體呈貓耳朵狀分布，仰拱的承載作用并不明顯。上述結(jié)論說明，按照以往巖質(zhì)隧道設(shè)計(jì)以及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行黃土隧道的設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性和合理性，故對(duì)黃土隧道安全性能分析必不可少。迄今為止，關(guān)于結(jié)構(gòu)安全度還沒有明確的定義，且規(guī)范中的安全度經(jīng)常是經(jīng)驗(yàn)取值。因此，關(guān)于黃土隧道安全度的理論研究對(duì)規(guī)范黃土隧道安全度計(jì)算方法，科學(xué)指導(dǎo)黃土隧道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)黃土隧道設(shè)計(jì)安全與經(jīng)濟(jì)的有機(jī)統(tǒng)一有著十分重要的意義。筆者以八仙峁隧道、麻塌隧道為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬方法，研究黃土隧道二襯結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和黃土隧道二襯結(jié)構(gòu)安全度。

1工程概況

八仙峁隧道、麻塌隧道位于G210國道。隧址所屬地貌為黃土塬梁地貌，其中八仙峁隧道最大埋深120 m，麻塌隧道最大埋深118 m。根據(jù)試驗(yàn)和地質(zhì)勘查資料，得到數(shù)值模擬所用圍巖和二襯結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2安全度

2.1安全度的定義

在施工和使用過程中，偶然荷載或其他不利因素都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性，為了保證構(gòu)件有足夠的安全儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮結(jié)構(gòu)的安全度。目前，關(guān)于結(jié)構(gòu)安全度并沒有清晰的定義，通常情況下按照規(guī)范給出的安全度取值。通常采用安全度來描述結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，安全度是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，在正常設(shè)計(jì)、施工和使用維護(hù)的條件下，結(jié)構(gòu)的抗力與荷載效應(yīng)的比值。

2.2安全度的計(jì)算表達(dá)式

2.2.1安全度的內(nèi)力表達(dá)式

對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)，隧道二襯可以近似看作截面為矩形的混凝土構(gòu)件，其極限狀態(tài)下的承載力被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到混凝土極限抗壓強(qiáng)度而破壞時(shí)的承載力，于是構(gòu)件軸心受壓和偏心距e0≤0.2h（h為構(gòu)件截面厚度）的情況下，將按其極限承載力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)材料力學(xué)理論，得到極限承載力Nmax表達(dá)式為