覆土回填時明洞襯砌在荷載結構模式下內力特征分析

陸澤西

（核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610042 ）

0 引言

隨著我國交通事業的不斷發展，為了節約資源，有效利用土地，明洞襯砌結構越來越多。同時為了更好的利用明洞上方的空間，明洞襯砌的覆土厚度也越來越大。當明洞上方填土較高時，即使對明洞斷面進行整體優化，依舊不可避免地會對明洞襯砌內部產生較大的內力。如果一味增加襯砌厚度，既造成大量圬工浪費，又會因為大體積混凝土水化熱無法有效消除而產生較大溫度裂縫，導致明洞襯砌耐久性無法得到保障。

大量結構工程表明：采用中空鋼筋混凝土的承壓構件比普通鋼筋混凝土承壓構件約可節約混凝土50%，減輕結構自重50%左右，中空鋼筋混凝土具有良好的經濟效果。在合理設計的情況下，采用相同的混凝土截面尺寸，中空混凝土的承載力一般不低于相應實心鋼筋混凝土的承載力，且可具有和實心鋼筋混凝土類似的力學性能。

本文利用ANSYS10.0 有限元分析程序，對不同孔徑開孔襯砌明洞結構進行分析，對比分析空心型式襯砌內力的優劣性。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

本次計算采用荷載—結構模式進行計算。為更好的分析大小空心開孔模式下的應力情況，縱向寬度建為1m，并采用地基彈簧模擬地基土等抗力作用，所建的模型如圖2-1～圖2-4 所示。

圖2-1 實心襯砌模型圖

圖2-2 20cm 孔徑襯砌模型圖

圖2-3 1/6h 孔徑襯砌模型圖

圖3-4 50cm 孔徑襯砌模型圖

混凝土參數及圍巖彈性反力系數均依照公路隧道規范選取。圍巖彈性反力系數按Ⅴ級圍巖取200MPa/m，明洞襯砌采用C35 混凝土，見表2-1

表2-1 混凝土參數

上述計算模型在豎直（Y）方向不進行約束，在明洞上方施加豎直方向荷載及襯砌底部進行豎向彈簧限制；對于襯砌前后（Z 方向）進行相應約束，而對襯砌左右兩側（X 方向）施加相應計算出的水平節點荷載。

為能更明確的對明洞襯砌內力進行分析，在此采用“荷載——結構”模式對明洞受力進行數值分析，荷載采用公路規范明洞荷載計算方法計算得出。本次分析明洞上方荷載實際覆土高度取為30m，明洞地表為水平覆土。

1.2 計算結果及分析

1.2.1 1.8m 襯砌

圖2-5 實心襯砌σ1應力（Pa）

圖2-6 20cm 孔徑襯砌σ1 應力（Pa）

圖2-7 1/6h 孔徑襯砌σ1 應力（Pa）

圖2-8 50cm 孔徑襯砌σ1 應力（Pa）

1.2.2 2.0m 襯砌

圖2-9 實心襯砌σ1 應力（Pa）

圖2-10 20cm 孔徑襯砌σ1 應力（Pa）

圖2-11 1/6h 孔徑襯砌σ1 應力（Pa）

圖2-12 50cm 孔徑襯砌σ1 應力（Pa）

表2-2 上覆土荷載下不同孔徑的最大主應力

對于1.8m 厚襯砌不同開孔條件下第一主應力（σ1）分析得知，各工況最大主應力主要出現在拱頂內側、拱腳外側、仰拱內側。50cm 開孔襯砌最大拉應力為3.13MPa，大于C35 混凝土抗拉強度標準值2.45MPa，會出現裂縫。

對于2.0m 厚襯砌不同開孔條件下第一主應力（σ1）分析得知，各工況最大主應力主要出現在拱頂內側、拱腳外側、仰拱內側。50cm 開孔襯砌最大拉應力為3.03MPa，大于C35 混凝土抗拉強度標準值2.45MPa，會出現裂縫。

襯砌開孔后，拱頂孔洞洞周發生應力集中，拱頂孔洞洞周第一主應力增加。此外，隨著孔徑的增加，拱頂內側、拱腳外側、仰拱內側的第一主應力也在增加，特別當孔徑增加到50cm 時，拱腰和拱腳外側主應力達到了3MPa，達到了混凝土極限抗拉強度，會產生裂縫。

2 結論

1 各開孔襯砌結構最大主應力主要出現在拱頂內側、拱腳外側、仰拱內側。在回填土階段應注意觀察這些部位裂縫發展。

2 隨著孔徑的增加，拱頂內側、拱腳外側、仰拱內側的第一主應力也在增加，特別當孔徑增加到50cm 時，拱腰和拱腳外側主應力達到了3MPa，達到了混凝土極限抗拉強度，會產生裂縫。且隨著襯砌孔徑的增加，襯砌內部應力也在相互協調“轉移分散”，混凝土最大主應力逐漸向拱腰處孔洞附近擴散。

3 對于不同襯砌厚度，相同孔徑下其最大主應力基本相同，差異在5%以內。說明增大襯砌厚度并不能有效降低結構在回填土階段所受的最大主應力。

4 僅受上覆土結構荷載的情況下，開孔襯砌降低了結構的剛度，且隨著孔徑的增大，其整體剛度下降越大，當孔徑大于1/6h 時，最大主應力就超過了混凝土抗拉強度標準值，會產生裂縫。開孔襯砌能有效解決大體積混凝土水化熱問題，但是孔徑并不是越大越好，綜合考慮結構荷載效應，其孔徑不應大于1/6h。