鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性的數(shù)值模擬分析

宋中濤

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)山嶺地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)不斷拓展，鐵路隧道襯砌的破壞變形成為隧道施工中最具有危害的問(wèn)題之一，關(guān)乎隧道施工的結(jié)構(gòu)安全性，而國(guó)內(nèi)這方面相關(guān)的研究成果較少，因此，亟需展開(kāi)鐵路隧道結(jié)構(gòu)襯砌受力特性的研究。本文以某鐵路隧道為例，運(yùn)用數(shù)值模擬分析，探究鐵路隧道襯砌的結(jié)構(gòu)受力特性，取得了一些重要研究成果。

Abstract： In recent years， with the continuous expansion of infrastructure construction in mountainous areas of China， the destruction and deformation of railway tunnel lining has become one of the most dangerous problems in tunnel construction and it is related to the structural safety of tunnel construction， and the relevant research results in this aspect in China are more less， therefore， it is urgent to carry out research on the mechanical characteristics of railway tunnel lining structure. Taking a railway tunnel as an example， this paper uses numerical simulation analysis to explore the structural stress characteristics of railway tunnel lining， and has achieved some important research results.

關(guān)鍵詞：鐵路隧道;襯砌結(jié)構(gòu)受力特性;數(shù)值模擬

Key words： railway tunnel;mechanical characteristics of lining structure;numerical simulation

中圖分類號(hào)：TU473.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）33-0206-03

0? 引言

我國(guó)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用復(fù)合式襯砌，即由初期支護(hù)、二次襯砌組成。初期支護(hù)常由噴射混凝土和鋼拱架組成，承受主要荷載，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，初期支護(hù)的受力特性，是評(píng)價(jià)隧道安全性和支護(hù)效果的關(guān)鍵問(wèn)題之一，具有重要的工程意義[1-4]。本文對(duì)某鐵路隧道的襯砌受力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確保蒙華鐵路馬灣隧道的施工安全，得到的結(jié)論和建議可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1? 工程概況

1.1 隧道工況及參數(shù)

某鐵路隧道起訖里程DK846+156.82～DK846+675.5，全長(zhǎng)518.68m。該鐵路隧道的開(kāi)挖寬度為11.43m，開(kāi)挖高度為9.21m，高寬比為0.81，隧道的平均埋深為25m。隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)橫撐施工，圖1表示隧道的開(kāi)挖步驟。隧道所在的巖體為IV級(jí)，巖體重度為25kN/m3，粘聚力為17kPa，內(nèi)摩擦角為23°，計(jì)算摩擦角為29.9°，圍巖θ為17.94°。隧道采用？準(zhǔn)50小導(dǎo)管超前支護(hù)，初期支護(hù)為H230鋼格柵，間距為0.5m，噴射混凝土采用C25混凝土，厚度為30cm。

1.2 隧道初支開(kāi)裂及剝落情況

1.2.1 初支裂紋

隧道進(jìn)口左側(cè)DK846+207～+250段43m、右側(cè)DK846+203～+250段47m，中下臺(tái)階連接板附近出現(xiàn)1～2mm縱向裂紋。DK846+295右側(cè)上臺(tái)階出現(xiàn)環(huán)向裂紋，長(zhǎng)約3m。經(jīng)取芯發(fā)現(xiàn)裂紋已貫通初支厚度，通過(guò)砂漿塊觀察，裂縫無(wú)發(fā)展。

1.2.2 初支剝落

隧道左側(cè)DK846+245～+257段上中臺(tái)階連接板附近噴砼連續(xù)剝落，鋼筋骨架外露變形;隧道右側(cè)DK846+237～+244段中下臺(tái)階連接板上部0.5m噴砼連續(xù)剝落;左側(cè)DK846+205～+207、DK846+265～+273、拱頂左側(cè)1.5m位置出現(xiàn)局部剝落;右側(cè)DK846+210～+260下臺(tái)階與仰拱連接板附近出現(xiàn)局部剝落。

該鐵路隧道初支的破壞、變形極易產(chǎn)生隧道圍巖的失穩(wěn)，致使整個(gè)開(kāi)挖掌子面坍塌，極大的威脅工程的安全性，因此對(duì)鐵路隧道的襯砌破壞機(jī)理進(jìn)行研究具有很高的使用價(jià)值，有助于避免隧道襯砌的破壞，確保隧道施工的安全性。

2? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文以IV級(jí)圍巖為例，進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬段的隧道參數(shù)如圖1所示。假定圍巖和襯砌均為均質(zhì)彈性體，采用的參數(shù)見(jiàn)表1、圖1所示。

取DK846+198～DK846+265作為研究對(duì)象，沿軸線長(zhǎng)67m，建立三維有限元模型尺寸如下：寬62.4m，長(zhǎng)67m，高56.5m（最高處），有限元模型圖2。

在圖2中，左右施加按偏壓力計(jì)算得到的土壓力如表2，底部全約束，前后施加縱向約束，豎向施加速度，獲得圍巖、襯砌的位移和應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖3-圖6。

由上圖可以得出以下結(jié)論：

①襯砌的位移最大處：發(fā)生在拱頂，最大值為0.081m;

②襯砌的豎向應(yīng)力最大處：發(fā)生在側(cè)壁：內(nèi)側(cè)（山高一側(cè)）：6.25MPa，外側(cè)（山低一側(cè)）：5.36MPa。

3? 結(jié)論

以某鐵路隧道為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)勘查、數(shù)值模擬等方法對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性機(jī)理進(jìn)行研究，并對(duì)襯砌失穩(wěn)破壞后給出了相應(yīng)的措施。所得主要結(jié)論一下：

①隧道襯砌兩側(cè)壁應(yīng)力最大，易發(fā)生應(yīng)力集中，引起圍巖體的破碎，進(jìn)而造成混凝土噴擴(kuò)層的開(kāi)裂。②隧道襯砌出現(xiàn)裂隙、剝落現(xiàn)象，應(yīng)采取封閉掌子面、增設(shè)臨時(shí)仰拱和加固環(huán)、對(duì)初支開(kāi)裂嚴(yán)重部位和裂縫上下2m范圍采取小導(dǎo)管注漿加固等處理措施。③隧道襯砌在設(shè)計(jì)階段應(yīng)加強(qiáng)拱頂和兩側(cè)壁的承載能力，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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