橋隧搭接工程多源損傷及車輛沖擊模型試驗分析

王場

【摘要】按照現有工程案例，橋隧搭接工程的定義內涵蓋橋梁伸入隧道內工程。橋隧搭接工程施工中往往會遇到軟弱圍巖問題，如IV＼V級圍巖，進而導致工程損傷或病害現象的頻繁發(fā)生，為運營期間造成嚴重安全隱患。隨著我國近年來道路運輸車輛超載狀況的日漸嚴重，車輛長期荷載與其沖擊作用，將對圍巖影響下的橋隧搭接段各位置造成嚴重危害?；诖耍仨毶钊敕治鲕囕v荷載與其沖擊作用下的橋隧搭接工程。為此，本文主要對橋隧搭接工程多源損傷及其試驗模型建立進行了分析與探究。

【關鍵詞】橋隧搭接工程；多源損傷；車輛荷載；沖擊作用；模型；試驗；疲勞損傷；V級圍巖

一、橋隧搭接工程多源損傷分析

因地形、地勢等因素的影響，往往選取橋隧搭接的方式處理橋隧相連位置。如隧道洞口地勢陡峭、地基條件差、圍巖破碎多裂隙等，進而對施工后期使用情況造成嚴重影響。橋隧搭接工程中通車過程車輛荷載與其沖擊作用是造成橋隧結構、洞口圍巖擾動的主要因素，其具體劃分如下：作用于隧道結構的為圍巖反作用力、橋梁傳遞荷載；作用于洞口圍巖的為開挖隧洞、施工橋梁結構或砌筑擾動等。因此，造成橋隧搭接工程損傷的因素較多，存在顯著的多源性與密切聯(lián)系。

疲勞是指在循環(huán)荷載作用下結構構件與其構成材料在靜載強度以下性能惡化或失效的情況，屬于不可逆過程。為此，橋隧搭接工程其結構產生的損傷都可在疲勞基礎上進行分析。其主要原因在于車輛長期重復碾壓作用下橋隧搭接結構內橋梁和隧道結構基礎、隧道襯砌與隧道路面等，都會造成大小應力交替或循環(huán)作用，進而導致疲勞損傷狀況的出現。如作用于橋隧搭接位置車輛的荷載較大，即超載、超重車輛多，將造成多種病害產生，如破損局部橋面、損毀伸縮縫等，從而導致橋面、橋頭與隧道洞口位置跳車狀況頻發(fā)，并加大橋隧搭接結構疲勞損傷程度。

二、基于相似方法建立試驗模型

為延長橋隧工程使用壽命，提高工程質量，要求相關部門必須重視橋隧搭接工程，基于相似方法進行試驗模型建立，并選擇合理方案，提高施工技術水平，只有這樣才能確保橋梁搭接工程的整體質量，才能為交通事業(yè)發(fā)展提供強有力的保障。

1、相似條件

根據橋隧搭接工程各物理量，遵循量綱分析法，獲取相似條件：

CL為試驗模型的幾何相似比，選取1/50為CL，各物理量相似關系、相似常數如表1所示。

表1 模型試驗相似關系與相似常數

2、模型設計

（1）橋梁模型。以簡支T梁為原型（30米x40米x50米）分析。選取鋼筋微混凝土材料（C50）進行模型橋梁板制作。其中遵循原型橋上部結構進行梁板確定，其為矩形斷面，板底縱向需進行鋼筋埋設。選取鋼筋微混凝土材料進行橋臺、樁基礎制作，選取大尺寸型鋼構件進行橋墩模擬。40厘米為樁基礎模型長度，3，6厘米為其直徑，并將鋼筋埋設于各個樁縱向位置。

（2）隧道襯砌模型。選取鋼筋混凝土結構作為橋隧搭接隧道洞口段襯砌。試驗中選取微混凝土（型號C30，厚度2厘米）與鋼絲網（0.5毫米直徑）合理配置的方式作為鋼筋混凝土襯砌（C30）的襯砌模型。

3、模型試驗

構建試驗平臺：選取木模板（高強度）、槽鋼支架等進行隧道洞口位置試驗向加工構建，其尺寸分別為長度200毫米、寬度40毫米、高度150毫米。試驗中為便于查看，可選取有機玻璃模板應用于正面中心70x100厘米部分。一般在試驗箱中間位置設置隧道模型，其中間位置與模型箱間的距離分別為左右2側都為100厘米、上下部邊界分別為60厘米與85厘米，這就要求在邊界影響明顯范圍，隧道應與模型試驗需求相符。此外還需進行圍巖內土壓力盒設置。

儀器設備：在橋隧搭接工程多源損傷分析的前提下，需重視測量誤差值，并將其控制在合理范圍內，根據工程建設需求，選取的試驗儀器、設備如表2所示。

表2 試驗儀器、設備表

試驗方式：第一，計算模型橋配重。所有模型橋在試驗中都需進行額外配重施加，以此最大限度地對模型試驗需求進行滿足。根據相似比，模型橋配重=橋梁原型（換算后）—模型橋自身重量。

第二，模擬汽車荷載與其沖擊作用。車輛超載問題存在于我國各個地區(qū)，針對標準設計汽車荷載與2類超載形式分別進行試驗分析，其等級如下：公路I級、超載1、超載2；原型車重則由55、80、110（單位為噸）表示。試驗中，通常選取重物堆載與人工激勵的方法對汽車荷載與其沖擊作用進行模擬，換言之，通過重物對一定等級汽車荷載進行模擬，并在洞口周圍堆載，隨后在橋梁與洞口相近位置利用激振錘進行一定沖擊作用施加。

第三，埋設測試元器件。在梁板端部、跨中截面中間位置、樁基頂端及中間位置、模型鋼筋內埋設微應變片，以此對每個點的應變變化進行測量。橋梁端部、跨中梁底位移測定時可選取百分表。洞口邊坡、仰坡等位置的裂縫、位移、變形情況可通過側縫計、直尺進行測定。

第四，襯砌模型與圍巖。圍巖壓力可通過壓力盒埋設測量；洞附近位移可選取百分表測量；襯砌內外側應變可選取微應變片測量。

試驗流程：首先，將薄膜鋪設于圍巖模型箱側壁，將制作好的圍巖類似模擬材料，向圍巖模型箱內分層填入。并在預定位置進行土壓力傳感器、橋臺與樁基礎埋設，并在預定位置進行鐵皮筒埋設，要求鐵皮筒潤滑油涂抹到其外側，內部需進行配比、密度相同圍巖材料的填筑，以此為開挖模擬隧道提供有利條件。實驗前需進行各類測試儀器安裝，并對數據采集系統(tǒng)進行調試，完成圍巖填筑需進行6小時靜置，才能進行試驗。其次，開挖模擬隧道時，需小心抽出預先埋設的鐵皮筒，以此開挖隧道施工結束。在支護隧道襯砌時，在其預定位置小心放置隧道襯砌模型，以此進行隧洞支護結構模擬。再次，橋隧搭接施工模擬。在橋墩上架設模型梁非搭接端，通過螺栓固定其和隧道襯砌、橋臺。利用重物懸掛加載的形式將模型橋額外配重施加到模型梁上，以此結束橋隧搭接施工。汽車荷載與其沖擊作用模擬。按照一定順序進行相應等級、次數汽車荷載與其沖擊作用的施加，并采集相應數據、記錄儀器讀數，以此結束一個工況試驗內容。最后，遵循各個工況原有條件與實際情況，反復以上內容，并做好儀器儀表安設工作、準確記錄讀數，確保各項試驗內容的充分完成。試驗結論：橋梁與樁基、隧道襯砌各部位位移或應變數值存在大小或正負反復變化，這是車輛荷載與其沖擊誘發(fā)橋、隧結構各部位疲勞損傷最顯著的外在力學行為方式，基于此，可通過疲勞損傷原理分析橋隧搭接工程內橋、隧等結構物的損傷。因長期處于疲勞損傷階段或出現疲勞累積現象，將造成結構構件性能劣化、承載力降低及耐久性不足，因此必須重視橋隧搭接位置疲勞損傷問題。

三、結束語

綜上所述，隨著社會經濟發(fā)展速度的不斷提升，為滿足車輛安全運行需求，公路橋隧工程施工必須嚴格按照設計規(guī)定進行。為有效解決現階段橋隧搭接工程病害問題，必須準確分析其影響因素，并在此基礎上，選取科學有效的措施進行橋隧搭接工程建設。汽車荷載與其沖擊作用作為橋隧搭接工程多源損傷研究的重要內容，為達到橋隧施工目標，實現橋隧交通的社會效益與經濟效益，要求相關部門必須根據試驗結果，選擇行之有效的方案，才能為國民經濟可持續(xù)發(fā)展提供強有力的保障。

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