公路隧道二次襯砌厚度不足數值分析

周 峰，梁太略

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056)

1 計算內容

1.1 計算目的

某公路隧道洞口局部段落二襯厚度小于設計厚度，最大偏差為－5cm，應用荷載－結構法，對公路隧道二襯結構的內力進行分析，是否能保證工程運行期的長期穩定性。

1.2 計算模式

根據分區，沿主體結構縱向取1 m 長度作為計算單元，按平面應變問題考慮，采用“荷載－結構法”模型進行分析，計算結構的內力與變形。計算程序選用結構分析通用有限元程序SAP846.5 教育版，采用梁柱單元模擬二次襯砌結構。

2 計算依據的規范規程

本文計算主要參考的規范:

(1)《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004);

(2)《公路隧道設計細則》(JTG/T D70—2010);

(3)《混凝土結構設計規范》(GB 50010－2010)。

3 主體結構二襯內力計算

3.1 S5b 二次襯砌

3.1.1 S5b 二襯結構設計圖

S5b 設計襯砌參數:初期支護為26 cm 厚C20 噴射混凝土，8 鋼 筋 網 單 層(20 cm × 20 cm)，I18 工 字 鋼(縱距75 cm)，D25 中空注漿錨桿(長度3.0 m，縱環向75 cm×100 cm);預留變形量，10 cm;二次襯砌為45 cm 厚C25 模筑混凝土，尺寸見圖1。

圖1 計算尺寸

3.1.2 計算參數

計算參數見表1。

表1 計算參數

3.1.3 荷載分析

在Ⅴ級圍巖地段隧道圍巖壓力計算:對于分離式路基的隧道的開挖跨度為13 m;隧道埋深(洞頂到地面的距離)小于13 m 時按全部覆土荷載計算;隧道埋深(洞頂到地面的距離)為13～30 m 時，按淺埋隧道(破裂面理論)計算覆土荷載，對上部覆土荷載作部分折減;隧道埋深(洞頂到地面的距離)大于30 m 時，按深埋隧道(承載拱理論)計算土壓力荷載。

火燒庵隧道初支變形侵入二襯段落，S5b 埋深為13.5～21.1 m，按淺埋隧道(破裂面理論)計算覆土荷載，對上部覆土荷載作部分折減。按照《公路隧道設計細則》二次襯砌承擔55%圍巖松散壓力。

3.1.4 二次襯砌計算

C25 混凝土設計參數為(極限強度):軸心抗壓Ra=17.5 MPa;軸心抗拉Rl=1.9 MPa;彈性模量E=29.5 GPa;計算結果見圖2～圖5。

3.1.5 S5b 二襯結構檢算

(1)偏心受壓混凝土結構的抗壓強度驗算。

采用綜合安全系數法:KNZ≤ψαbhRhy

式中:K=2.4;NZ=739.4 kN(拱頂);ψ=1.0;e0=MZ/NZ=68.26/739.4=0.09;α=0.698;b=1.0 m;h=0.4 m;Rhy=17500 kPa

圖2 有限元劃分

圖3 軸力

圖4 剪力

圖5 彎矩

綜合上述:滿足KNZ≤ψαbhRhy

(2)偏心受壓混凝土結構的抗拉強度驗算。

式中:K = 3.6;NZ= 739.4 kN(拱頂);ψ = 1.0;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.4 m;e0=MZ/NZ=68.26/739.4=0.09

式中:K = 3.6;NZ= 968 kN (墻腳);ψ = 1.0;Rh1=1900 kPa;b = 1.0 m;h = 0.4 m;e0= MZ/NZ= 80.6/968=0.08

(3)混凝土結構的抗剪強度驗算。

采用綜合安全系數法:KQZ≤0.82Rhlbh

式中:K=2.4;QZ=220.3 kN;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.4 m

綜合上述:滿足KQZ≤0.82Rhlbh

(4)通過對S5b 二次襯砌截面拱頂、墻腳部位的檢算，抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度均可滿足規范要求，二次襯砌可以保證工程運行期的長期穩定性。

3.2 S4a 二次襯砌

3.2.1 S4a 二襯結構設計圖

S4a 設計襯砌參數:初期支護為22 cm 厚C20 噴射混凝土，22 格柵鋼拱架(縱距100 cm)，8 鋼筋網(單層，間距20 cm×20 cm)，22 藥卷錨桿(長度3.0 m，縱環向間距100 cm×100 cm);預留變形量，7cm;二次襯砌為40 cm 厚C25 模筑混凝土，計算尺寸見圖6。

式中:K=2.4;NZ=968 kN(墻腳);ψ=1.0;e0=Mz/NZ=80.6/968 = 0.08;α = 0.75;b = 1.0 m;h = 0.4 m;Rhy=17500 kPa

圖6 計算尺寸

3.2.2 計算參數

計算參數見表2。

表2 計算參數

3.2.3 荷載分析

在Ⅳ級圍巖地段隧道圍巖壓力計算:對于分離式路基的隧道的開挖跨度為13 m;隧道埋深(洞頂到地面的距離)小于6.5 m 時按全部覆土荷載計算;隧道埋深(洞頂到地面的距離)為6.5～15 m 時，按淺埋隧道(破裂面理論)計算覆土荷載;隧道埋深(洞頂到地面的距離)大于15 m 時，按深埋隧道(承載拱理論)計算土壓力荷載。

火燒庵隧道初支變形侵入二襯段落，S4a 埋深為22.5 m～34.8 m，按深埋隧道(承載拱理論)計算土壓力荷載。按照《公路隧道設計細則》二次襯砌承擔30%圍巖松散壓力。

3.2.4 二次襯砌計算

計算結果見圖7～圖10。

圖7 有限元劃分

3.2.5 S4a 二襯結構檢算

(1)偏心受壓混凝土結構的抗壓強度驗算。

采用綜合安全系數法:KNZ≤ψαbhRhy

式中:K=2.4;NZ=230.8 kN(拱頂);ψ=1.0;e0=MZ/NZ=31.23/230.8=0.135;α=0.278;b=1.0 m;h=0.35 m;Rhy=17500 kPa

圖8 軸力

圖9 剪力

圖10 彎矩

式中:K=2.4;NZ=416.1 kN(墻腳);ψ=1.0;e0=MZ/NZ=42.5/416.1=0.1;α=0.535;b=1.0 m;h=0.35 m;Rhy=17500 kPa

綜合上述:滿足KNZ≤ψαbhRhy

(2)偏心受壓混凝土結構的抗拉強度驗算。

式中:K = 3.6;NZ= 230.8 kN(拱頂);ψ = 1.0;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.35 m;e0=MZ/NZ=31.23/230.8=0.135

式中:K = 3.6;NZ= 416.1 kN(墻腳);ψ = 1.0;Rh1=1900 KPa;b=1.0 m;h=0.35 m;e0=MZ/NZ=42.48/416.1=0.1

(3)混凝土結構的抗剪強度驗算。

采用綜合安全系數法:KQZ≤0.82Rhlbh

式中:K=2.4;QZ=75.67 kN;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.35 m

綜合上述:滿足KQZ≤0.82Rhlbh

(4)通過對S4a 二次襯砌截面拱頂、墻腳部位的檢算，抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度均可滿足規范要求，二次襯砌可以保證工程運行期的長期穩定性。