荷载—结构法在隧道支护结构受力分析中的应用

荷载—结构法在隧道支护结构受力分析中的应用

韩雨辰

四川成南高速公路有限公司，四川 成都 610041

摘要: 隧道施工运营过程中，隧道支护结构的受力是关注的重点。本文基于某深埋双线公路隧道，采用荷载—结构模型通过数值模拟的方法对隧道支护结构受力进行了分析评价，指出了隧道结构最不利受力和位移位置。

关键词: 荷载—结构法；洞隧道受力；支护结构；

中图分类号：455.47 文献标识码：A

1. 工程概况

1.1 工程简介

某隧道设计为时速250km/h的双线隧道。采用荷载—结构法对支护结构的受力情况进行分析。计算时埋深取用50m，地层采用Ⅴ级围岩。图1-为双线隧道断面尺寸图。[1] [2] [3]

图1-深埋双线隧道断面尺寸图

1.2 工程结构及地质参数

Ⅴ级围岩隧道初期支护厚25cm，二次衬砌厚45cm,初期支护采用C25喷射混凝土，参照《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005），结构衬砌参数以及围岩参数取值如下表1-与表1-所示。

表1-围岩参数

表1-衬砌参数

2. 建模与计算

2.1 荷载计算

（1）地基弹簧参数计算

计算该隧道Ⅴ级围岩的地基弹簧参数：

（2）验算坑道的高度与跨度之比

故满足高跨比的要求。

（3）天然拱高度

因 ，故 。

故

根据深、浅埋隧道的判定原则：

因隧道埋深 ，故隧道属于深埋隧道。

故竖向围岩松动压力：

不同围岩，其侧压力系数不同，因此水平围岩压力e也不同。

Ⅴ级围岩水平围岩压力 ：

将围岩压力进行汇总，如下表所示。

表2-隧道围岩压力汇总

2.2 模型建立

根据隧道支护结构尺寸信息，采用ANSYS软件进行建模，隧道衬砌尺寸选取二衬的中轴线，二衬厚度为0.45m，模型尺寸如图2-所示。

图2-模型尺寸图（单位：m）

ANSYS模型中衬砌用梁单元进行模拟，土层用弹簧单元进行模型。

2.3 模型计算

对模型进行约束加载后，得到其变形图，如下图所示。

图2-2加载后模型变形图

从变形图结果可看出，隧道断面拱顶部分弹簧处于受拉状态，而实际上结构衬砌与围岩之间粘结力较弱，二者之间几乎不承受拉力，故拱顶部位弹簧承受拉力不合理，因此应先去掉部分受拉弹簧重新进行计算，如此反复，直至不出现受拉弹簧为止。

2.4 计算结果

隧道衬砌结构变形图如下图所示。

图2-3隧道衬砌结构变形图

隧道衬砌结构轴力图如下图所示。

图2-4隧道衬砌结构轴力图

隧道衬砌结构剪力图如下图所示。

图2-5隧道衬砌结构剪力图

隧道衬砌结构弯矩图如下图所示。

图2-6隧道衬砌结构弯矩图

3. 结论

通过本文研究，主要得出以下结论：

1. 隧道结构位移最大发生于拱顶，沉降量约为6.9mm，拱脚部分稍有隆起；

2. 结构仰拱处轴力值最大，为1.18 kN；结构拱脚处剪力值最大，最大剪力值为240.198kN；最大正弯矩为103.341kN m，发生于拱脚处，最大负弯矩为51.771kN m，发生于拱顶处。

参考文献

[1]欧阳明.地铁出入口结构内力计算与对比分析[J].工程建设,2021,53(08):43-49.

[2] 连鹏,田世雄,徐荣文.南阳山隧道二次衬砌厚度不足安全影响分析[J].交通世界,2021(11):87-89.

[3] 刘畅.复杂岩层地区盾构隧道结构设计荷载计算方法[J].地下空间与工程学报,2019,15(S2):569-576..

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