董昌周,曲 晨

(浙江科技學院建筑工程學院,杭州310023)

由于連拱隧道的結構特殊性,在設計和施工中出現(xiàn)新的技術問題。調查發(fā)現(xiàn)[1-7],連拱隧道出現(xiàn)結構病害主要是隧道裂縫和滲漏水,襯砌病害在隧道洞口段比隧道洞身段嚴重,中墻比邊墻嚴重,而且問題最多的是中墻頂部與拱部的連接處。其主要原因除了施工因素外,還與連拱隧道的偏壓狀態(tài)有著顯著相關性,往往是洞口段的偏壓比洞身段嚴重,中墻結構作為連拱隧道受力的薄弱部位,在偏壓作用下容易開裂。

在地形偏壓條件下連拱隧道襯砌內力分布和圍巖穩(wěn)定性方面,許多學者采用數(shù)值模擬手段對其進行了研究,通過比較襯砌內力和圍巖穩(wěn)定性研究2個主洞的合理開挖順序,以及中導洞、三導洞2種開挖方案的適應性。夏才初、劉金磊[8]采用有限元程序和荷載-結構模式對福泉高速公路相思嶺雙連拱隧道結構進行了二維分析,得出結構的內力大小與彈性抗力系數(shù)的取值大小密切相關的結論。楊建民[9]采用ARCZ有限元程序將萬梁高速公路金竹林雙連拱隧道結構簡化成直桿桿系結構,用矩陣位移法進行了二維分析,得出了結構的內力、位移和安全度。然而,地形偏壓作用下連拱隧道結構的受力機理和圍巖穩(wěn)定性還不是十分清楚,有待進一步深入研究。本研究在前人工作的基礎上,以偏壓連拱隧道為研究對象,進行室內相似模型試驗和數(shù)值模擬,對偏壓連拱隧道的襯砌內力及變化趨勢進行了分析與驗證。

1 模型試驗

1∶20尺寸比例的模型試驗具體過程參見文獻[10],從表1可以看出,連拱隧道對應特征部位存在明顯的受力不對稱。左右洞室襯砌都受壓力,軸力隨著隧道上覆荷載的增加而增大,左洞最大軸力值分布于仰拱和邊墻的結合部位;右洞最大軸力值分布于靠近中墻的左拱腰,見圖1。從彎矩圖可以看出,左右洞室有明顯的被壓扁的趨勢,左洞最大彎矩分布于左、右拱腰和拱底,只是左、右拱腰外側受拉,而拱底是洞室內側受拉;右洞最大彎矩分布于左拱腰,左、右拱腰外側受拉,而拱頂和拱底都是洞室內側受拉,見圖2。

表1 不同載荷下襯砌內力Table1 Lining force under different loads

2 數(shù)值模擬

使用二維ANSYS軟件進行模擬。根據(jù)隧道的結構形式和地質條件,對模型進行適當簡化,計算中采用理想彈塑性材料,屈服準則采用Drucker-Prager屈服準則,隧道圍巖材料的力學參數(shù)采用實測值,見表2。在計算過程中,圍巖采用PLANE42實體單元,襯砌采用BEAM3單元。模型左、右邊界水平方向約束,底面加固定支座以約束所有自由度,地表為自由面。模型尺寸按照物理模型實驗,隧道位于原始應力場見圖3,其網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

表2 材料物理力學參數(shù)Table2 Physical and mechanical parameters of material

2.1 襯砌內力分布規(guī)律分析

圖5是2種方法在加豎向荷載150 k N時得到的襯砌內力分布圖。從內力圖可看出,模型試驗與數(shù)值模擬結果存在一定程度的偏差,但襯砌的軸力和彎矩變化規(guī)律基本一致。

圖5 襯砌內力對比圖Fig.5 Comparison of lining internal force

2.2 模型試驗破壞現(xiàn)象數(shù)值分析

從偏壓連拱隧道模型試驗的破壞過程看,兩洞拱頂處出現(xiàn)較多的裂縫,裂縫的擴展繼而引起整個圍巖體的開裂,如圖6所示。巖體的開裂從圖7最大荷載下應力矢量圖可以看出,洞室周圍圍巖體的開裂處出現(xiàn)較多的拉壓應力。圖8是圍巖體坡度面上巖體出現(xiàn)魚鱗狀的破碎,這主要是整個連拱隧道向坡度方向外滑移所引起的,因此,在設計與施工時要考慮邊坡的穩(wěn)定性,如圖9所示。

3 結 語

通過1∶20尺寸比例的模型試驗和有限元數(shù)值分析,可以得到以下幾點:

1)在不同荷載下,左、右洞室襯砌都受壓力,而且壓力隨著隧道上覆荷載的增大而增大,左洞最大軸力值分布于仰拱和邊墻的結合部位;右洞最大軸力值分布于靠近中墻的左拱腰。實驗過程中,左右洞室有被壓扁的趨勢,左洞最大彎矩分布于左、右拱腰和拱底;右洞最大彎矩分布于左拱腰。隨著荷載的增加,左洞洞頂豎向位移變化不大,右洞洞頂豎向位移成線性增大。

2)在地形偏壓作用下,連拱隧道整體向淺埋側移位,淺埋側和深埋側的圍巖出現(xiàn)被動壓力和主動壓力作用,淺埋側隧道的拱頂豎向應力小于深埋側。

3)模型試驗與數(shù)值計算結果可能存在一定程度的偏差,但從內力對比圖上可以看出,襯砌的軸力和彎矩變化規(guī)律基本一致。

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