隧道質(zhì)量缺陷參數(shù)的動(dòng)力敏感性分析

文/新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 歐陽磊

隧道是交通的咽喉，是抗震救災(zāi)的生命通道，保證隧道的安全，特別是震時(shí)的安全尤為重要。而當(dāng)隧道存在質(zhì)量缺陷時(shí)對(duì)其安全有很大影響。該文采用ANSYS研究當(dāng)隧道存在幾種常見的質(zhì)量缺陷情形時(shí)的動(dòng)力特性，分析各質(zhì)量缺陷參數(shù)的動(dòng)力敏感性。目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)隧道存在質(zhì)量缺陷的動(dòng)力特性研究已取得了不少成果，但主要集中于對(duì)空洞的研究，對(duì)其他情形研究得很少，且少有針對(duì)質(zhì)量缺陷參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。故對(duì)存在質(zhì)量缺陷的隧道進(jìn)行動(dòng)力分析，并研究其各質(zhì)量缺陷參數(shù)的動(dòng)力敏感性對(duì)施工質(zhì)量控制具有一定的參考價(jià)值。

有限元模型及參數(shù)

有限元模型

以某高速公路的一座分離式隧道為例，研究隧道存在質(zhì)量缺陷的地震反應(yīng)，并分析各質(zhì)量缺陷參數(shù)的動(dòng)力敏感性。計(jì)算參數(shù)如表1所示。本模型沒有考慮地震波的場(chǎng)地修正。

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

模型上下左右邊界各取5D（洞徑）?？紤]到錨桿只要起懸吊作用，承受拉應(yīng)力，故模型中選用link1模擬錨桿，選用beam3模擬襯砌，初支和圍巖主要起承重作用，故初支與圍巖選用plane182模擬。該文主要考慮豎向地震波的作用，故在有限元模型邊界上施加簡單邊界。采用瑞利線性組合阻尼，認(rèn)為阻尼矩陣為剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的線性組合。

地震波的輸入

地震波的選取需要考慮三個(gè)方面，強(qiáng)度、頻譜特性和持時(shí)。強(qiáng)度即地震波的加速度峰值，該文按8級(jí)烈度輸入地震波。選取與建設(shè)場(chǎng)地相適應(yīng)的頻譜特性，鑒于資料有限，該文選用EI-centro波，并未考慮其場(chǎng)地修正。持時(shí)即地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間，一般選取加速度峰值出現(xiàn)之后的時(shí)間，故該文選取地震波的前10s。

計(jì)算工況

該文首先研究的是隧道初支結(jié)構(gòu)背后存在兩空洞，考慮空洞的徑向長度R動(dòng)力影響和兩空洞間環(huán)向間距C變化的影響。再考慮到錨桿長度B不足、初期支護(hù)厚度H不夠、初期支護(hù)強(qiáng)度I不滿足要求等質(zhì)量缺陷對(duì)隧道動(dòng)力特性的影響。為此設(shè)置如下工況進(jìn)行分析：

兩空洞徑向長度R變化的影響，于是分別設(shè)置空洞徑向長度為無空洞、1m、1.5m、2.0m四種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

兩空洞環(huán)向間距C變化的影響，于是分別設(shè)置兩空洞環(huán)向間距為無空洞、90、180、270四種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

初期支護(hù)厚度H變化的影響，于是分別設(shè)置初期支護(hù)厚度為10cm、15cm、20cm、25cm四種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

初期支護(hù)強(qiáng)度I變化的影響，于是分別設(shè)置初期支護(hù)強(qiáng)度為C10、C15、C20三情況形進(jìn)行對(duì)比分析。

錨桿長度B變化的影響，于是分別設(shè)置錨桿長度為2.0m、2.5m、3.0m、4.0m四種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

考慮到動(dòng)力計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)較多，且初期支護(hù)為主要承力結(jié)構(gòu)，故在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)典型部位上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

兩空洞不同徑向長度的動(dòng)力響應(yīng)。當(dāng)空洞徑向長度由0m增大至2.0m時(shí)，雖然各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值均有所增大，但在離空洞較近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)增幅最大，如拱頂、右拱肩和右拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其最大增幅分別為20.38%、30.76%和6.95%。詳見最大主應(yīng)力峰值表（表2）。

兩空洞環(huán)向距離變化的動(dòng)力響應(yīng)。兩空洞環(huán)向間距為27°時(shí)，較無空洞情形，拱頂和右拱肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力增幅為15.03%和24.46%；兩空洞環(huán)向間距為18°時(shí)，其最大主應(yīng)力增幅為25.27%和27.48%；兩空洞環(huán)向間距為9°時(shí)，其最大主應(yīng)力增幅為39.72%和39.34%。

初期支護(hù)厚度不足的動(dòng)力響應(yīng)。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度減小，最大主應(yīng)力峰值響應(yīng)明顯增大，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的整體減小對(duì)隧道的動(dòng)力反應(yīng)影響較大。其中最大主應(yīng)力峰值增幅最大的是右拱肩，相比于初期支護(hù)厚度為25cm時(shí)增幅55.24%。

表2 環(huán)向間距不同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值

表3 環(huán)向間距不同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值

初期支護(hù)厚度的減小，削弱了初期支護(hù)對(duì)圍巖變形的約束，所以在應(yīng)力比較集中的拱腰和拱肩位置結(jié)構(gòu)內(nèi)邊緣的拉應(yīng)力很大，極易引起結(jié)構(gòu)的破壞。

錨桿長度不足的動(dòng)力響應(yīng)。地震荷載作用下，隨著錨桿長度的減小，除拱底監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值都有不同幅度的增長，其中增幅最大的是右拱肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為24.22%。

初期支護(hù)強(qiáng)度不足的動(dòng)力響應(yīng)。地震作用下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，則隧道抵抗外力的能力越低，自由變形能力越強(qiáng)，所以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力峰值響應(yīng)有所增強(qiáng)，其中以拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)、右拱肩監(jiān)測(cè)點(diǎn)和右拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增幅最大，分別為19.69%、28.33%和15.12%。

質(zhì)量缺陷參數(shù)的敏感性分析

敏感性分析原理

參數(shù)敏感性分析：假定存在一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)W的某一特性受N個(gè)因素k=(k1，k2，L，kn)影響，這些影響因素決定了系統(tǒng)特性，如果將系統(tǒng)特性與影響因素之間關(guān)系寫成函數(shù)關(guān)系式可以表示為：W=(k1，k2，L，kn)。根據(jù)某一具體問題選定一個(gè)基準(zhǔn)狀態(tài)在基準(zhǔn)狀態(tài)下系統(tǒng)特性為W＊，讓各影響因素分別在其范圍內(nèi)取值，求得它們的系統(tǒng)特性，再與基準(zhǔn)狀態(tài)下的系統(tǒng)特性比較，分析其與基準(zhǔn)狀態(tài)下的差異程度和變化趨勢(shì)。如果影響因素有較小變化時(shí)，系統(tǒng)特性較基準(zhǔn)狀態(tài)變化很大，則系統(tǒng)對(duì)因素很敏感，稱因素為高敏感性因素，反之則為低敏感性因素。

質(zhì)量缺陷參數(shù)的敏感性

前面的敏感性分析原理簡化成具體過程就是：首先選定基準(zhǔn)參數(shù)集，其次建立各參數(shù)與最大主應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，最后求得參數(shù)的敏感度。本文主要分析參數(shù)R、C、B、H、I五個(gè)因素的敏感性。其基準(zhǔn)參數(shù)集見表4。

表4 各質(zhì)量缺陷參數(shù)基準(zhǔn)值與變化范圍

由前面得出的各工況下的最大主應(yīng)力峰值P，采用函數(shù)擬合的方式建立最大主應(yīng)力峰值與各質(zhì)量缺陷參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。

擬合得到的函數(shù)關(guān)系式分別為：

將擬合函數(shù)代入各自的敏感度函數(shù)式可得敏感度函數(shù)SB(B)。

將各參數(shù)的基準(zhǔn)值代入對(duì)應(yīng)的敏感度函數(shù)，即可求得敏感度因子。

現(xiàn)將算得的各質(zhì)量缺陷參數(shù)敏感度因子列于表5。

表5 各質(zhì)量缺陷參數(shù)的敏感度因子

由上表可知，最敏感的因素是H，其敏感度因子為1.5810，其次是I、B、R、C。因此，在進(jìn)行隧道施工質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，一定要慎重對(duì)待初支護(hù)厚度不足的情形。

結(jié)語

空洞的出現(xiàn)使得圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)不密貼，在地震荷載作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生自由變形，所以空洞附近應(yīng)力較大，且以拉應(yīng)力為主；初期支護(hù)厚度和強(qiáng)度減小越多，隧道動(dòng)力響應(yīng)越強(qiáng)烈，隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力峰值也越大。隧道錨桿長度的變化，對(duì)隧道的動(dòng)力響應(yīng)有一定的影響，但影響不是很明顯；由質(zhì)量缺陷參數(shù)的敏感性分析可知，敏感度最高的是初期支護(hù)厚度。