偏压隧道支护结构应力论文

【摘 要】根据ANSYS模拟结果与实测结果对比，笔者认为隧道产生裂缝的原因是由于在隧道开挖时，在洞口段浅埋的情况下，围岩本身较差、节理裂隙发育、地表水较易侵入岩体等，因此在地质条件较不利的情况下，可能会造成偏压隧道围岩应力不均匀释放，导致隧道开挖后，隧道右拱腰附近朝向隧道内的力比较大，而隧道的二衬及初支内有工字钢拱架、钢筋砼等使隧道传力效果较好，使隧道右拱腰附近朝向隧道内的力经过隧道的初支、衬砌等传递到隧道左侧，造成隧道左拱脚附近的受力朝向隧道外，导致隧道左拱脚附近出现较大的拉力，而隧道混凝土的抗拉强度比混凝土的抗压强度小得多，当隧道左拱脚附近的拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，就会在混凝土上迅速产生裂缝，且裂缝宽度在隧道二衬上是由里到外逐渐增大的，这与隧道实际的开缝情况一致；同理，隧道右拱腰产生的裂纹是由于此处的混凝土受到的压应力超过了混凝土极限抗压强度，使隧道右拱腰附近的混凝土产生隆起的现象，这也与实际的隧道开缝现象一致。

随着我国交通基础设施建设的快速发展，在实际工程中大量涌现处浅埋偏压隧道，这在无形之中增加了隧道的施工难度，严重影响了工程施工安全，制约着工程施工进度，在对待浅埋偏压隧道时，如何准确判断围岩破坏机理是隧道施工过程中以及隧道运营期间结构安全的关键问题，如果处理得不好，则很容易引起隧道产生塌方、滑坡、冒顶，甚至在隧道施工过程中引起隧道衬砌开裂等严重病害。本文通过数值模拟与现场实测对浅埋偏压隧道的衬砌应力进行了分析探讨。

1 数值模拟

本文采用ANSYS有限元软件对隧道开挖过程进行仿真模拟，隧道模型尺寸按照1：1的比例在所给的隧道设计资料里面选取，选取里程D1K27+515的断面来进行二维有限元数值分析。采用自底向上方法生成模型，有限元模型采用映射网格划分的方法共划分了40个单元，所划分的单元全部为四边形单元，有利于计算。本次主要针对直接开挖隧道以及在山体外侧进行人工回填之后再进行隧道开挖两种工况进行分析。

图1 带荷载和边界条件的有限元模型图 图2 回填后带荷载和边界条件的有限元模型图

2 数值模拟支护结构应力分析

开挖过程中各关键部位具体应力值见表1、表2。

由表1、表2知，在自重下隧道初支处的第一、第三主应力都是受压的；隧道开挖后，由于受隧道开挖后应力释放和偏压的影响，在隧道初支处的第一、第三主应力变化较大，部分直接变为受拉，但最大的拉应力未超过混凝土的抗拉强度；隧道开挖后，仰拱和拱顶基本上会变成受拉；回填后，增加了隧道上方的岩体的重量，压应力和拉应力都相应增大；最大的第一、第三主应力发生在右拱脚附近。

3 现场实测支护结构应力分析

本文仅对隧道二衬混凝土表面应力监测结果进行分析。 图3 D1K27+515断面二衬应力累积变化量与时间对比图（Mpa）

隧道二衬混凝土表面应力在监控量测范围（里程D1K27+495到D1K27+515）所在监控的时间内，左拱脚附近是受压的，表明这段隧道二衬左拱脚附近开裂可能已经停止，并且根据洞口段在已经开缝处贴上的混凝土试块没有新的裂缝出现，也能说明隧道洞口二衬左拱脚附近开裂已经停止。

4 结论

根据ANSYS模拟结果与实测结果对比，笔者认为隧道产生裂缝的原因是由于在隧道开挖时，在洞口段浅埋的情况下，围岩本身较差、节理裂隙发育、地表水较易侵入岩体等，因此在地质条件较不利的情况下，可能会造成偏压隧道围岩应力不均匀释放，导致隧道开挖后，隧道右拱腰附近朝向隧道内的力比较大，而隧道的二衬及初支内有工字钢拱架、钢筋砼等使隧道传力效果较好，使隧道右拱腰附近朝向隧道内的力经过隧道的初支、衬砌等传递到隧道左侧，造成隧道左拱脚附近的受力朝向隧道外，导致隧道左拱脚附近出现较大的拉力，而隧道混凝土的抗拉强度比混凝土的抗压强度小得多，当隧道左拱脚附近的拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，就会在混凝土上迅速产生裂缝，且裂缝宽度在隧道二衬上是由里到外逐渐增大的，这与隧道实际的开缝情况一致；同理，隧道右拱腰产生的裂纹是由于此处的混凝土受到的压应力超过了混凝土极限抗压强度，使隧道右拱腰附近的混凝土产生隆起的现象，这也与实际的隧道开缝现象一致。

参考文献：

[1]杨峰.浅埋隧道围岩稳定性的极限分析上限法研究[D].长沙：中南大学，2009.

[2]王立川等.浅埋偏压隧道极限分析法与施工技术[M]. 北京：人民交通出版社，2013.2

[3]谭中盛等.偏压隧道衬砌结构可靠度分析[J].西南交通大学学报，1996（6）.

[4]黄宗英.隧道浅埋偏压段数值模拟和监控量测技术研究[D].长安大学， 2009.

[5]丁锐等.不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析[J].铁道工程学报，2005，（5）：62-65.