断面型式对隧道结构影响的数值分析

王庆国

(陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南 714000)

1 概述

隧道围岩岩体是一种天然形成的非单一性质的复杂的地质材料,影响围岩稳定性的因素很多,主要有地质及地质结构、地应力、岩体力学性质、工程因素、地下水和时间,等等。因此,在现代隧道设计中,断面有各种各样的型式,不同的隧道断面型式,相应地就有不同的支护措施,对隧道结构也会产生不同的影响。掌握这些隧道断面的力学特性,在此基础上考虑经济因素,多方案综合比选,选择最优断面型式。

铁路隧道多为山岭隧道,需承受来自岩体的竖向和侧向压力,所以断面的型式多为马蹄形。当隧道为单线时,呈长马蹄形;当隧道为双线时,呈压肩式马蹄形。在采用盾构施工时,也采用圆形断面。公路隧道断面的型式比较多样化,典型的断面有马蹄形、扁椭圆形和带平坦仰供的扁椭圆形。当地铁隧道的覆盖层较小时,一般用矩形或带顶拱的矩形断面;覆盖层较深时,则选择圆形或偏圆形断面。

地质条件对确定断面的影响,则主要指岩体的地质条件及受力状态和围岩的状态。岩体的地质条件及受力状态包括岩体的初始应力状态以及在被开挖后产生的松动、应力重分布等。当覆盖层较厚时,岩体作用在隧道上的水平及垂直外力均较小,隧道断面可取矩形或带顶拱的矩形断面。当岩体的垂直压力较大、水平压力较小时,可取无仰拱的不封闭形的半椭圆、抛物线或半圆形断面。随着岩体垂直压力及水平压力的增大,隧道承重结构中的弯矩和轴力也增大,为减少外力引起的弯矩,即减少外力在承重结构中的拉应力,断面形式需接近圆形,必要时采取仰拱,形成封闭断面。岩体压力越大,形状应越趋于圆形或做成圆形。

洞周围岩对断面的影响,其强度越大,围岩的自承能力也越大,则岩体在承重结构上引起的内力也越小,可供选择的隧道断面的形状也越多。一般当围岩为稳固岩石且裂缝少时,断面的形状选择比较自由,断面形状可选为不封闭的马蹄形或带平坦顶拱的矩形断面。当围岩为松软的可塑性岩石,隧道断面形状需趋于圆形,并设置仰供。仰供的曲率随隧道围岩强度的降低而增大,在复杂地质的条件下,隧道断面需接近圆形或做成圆形。在特殊地质条件下,断面的选择要尽可能适应地质情况,使隧道处于较为有利的受力状态。

建造方式对选择断面的影响主要是和隧道建造方法以及所使用的机械设备有关。如采用全断面隧道掘进机进行开挖时,隧道断面最好为圆形或接近圆形。在采用盾构开挖时,也有同样的要求。在选择断面时,需要同时考虑隧道的建筑方式,以及所采用的机械设备,以使断面的形状、大小与建筑方式相适应,减少不必要的多余开挖,提高效益。

2 数值计算

以铁路Ⅴ类围岩的圆形和马蹄形隧道为例,综合《工程岩体分级标准》、《公路隧道设计规范》、《铁路隧道设计规范》等资料,取计算参数如表 1。

表 1 Ⅴ类围岩及支护体系力学参数

本次计算采用 D-P准则,围岩采用弹塑性材料,支护结构采用弹性材料。为减小边界效应的影响,左右及下边界取到 3—5倍隧道开挖直径,上边界取为自由边界,考虑重力影响,左右边界为 x方向约束,下边界为 y方向约束,纵向边界为 z方向约束。为简化计算,本文未考虑地下水的影响。

计算所得结果如图 1和图 2所示。

图 2 马蹄形断面隧道竖向位移和内力云图

表 2列出了隧道不同断面形式(圆形和马蹄形)的竖向位移最大值和支护结构内力最大值。

表 2 Ⅴ类围岩不同断面形式的竖向位移最大值和内力最大值

通过对Ⅴ类围岩下圆形和马蹄形断面竖向位移最大值和内力最大值的比较,可以看出,圆形要比马蹄形受力合理的多,其中仰拱起了很大作用。

隧道工程中,仰拱的设置不仅提高了隧道施工的安全性,而且提高了隧道长期使用的耐久性,尤其在侧压大、各向异性程度高和膨胀性趋势大的岩层中,其作用更为明显。

从力学观点看,隧道可视为由岩层支撑环和隧道支护组成的相互作用的厚壁圆筒,而这样的圆筒只有闭合时,才会在力学上发挥作用。因此,尽早使仰拱与隧道上部衬砌连接成闭合环,不仅能更好的发挥仰拱的作用,而且对控制洞室周边的位移也有明显的作用。此外,地质条件、断面形状大小以及仰拱的修筑时间都会对仰拱作用的发挥产生重大的影响。及时修筑仰拱,使衬砌环尽早形成,不仅可以大大抑制围岩内塑性区的发展,而且能有效控制位移的发展。同时对于控制围岩内的应力释放也有着重要的意义。

隧道开挖后,应力重分布变得不利。开挖跨度越大,轴力也就越大,特别是侧压系数小时,净空宽度有扩大的可能,底脚的应力集中较大,因而要求较大的地基承载力。拱顶范围不稳定,会形成较大的松弛地压。对圆形断面隧道来说,在弹性介质静水压力场中,开挖后坑道周边的最大主应力是初始应力的两倍。如围岩的单轴抗压强度比中分布的应力小,隧道周边围岩将出现塑性化,为此需要强大的支护结构来控制变形。而对于扁平隧道来说,开挖后最大主应力为侧压系数 K=1的初始应力的 3倍,K=0.7时的 4倍。因此,与过去的隧道相比,即使有很大的强度,也会出现塑性化和大的变形。也就是说,侧压系数比 1小时,扁平度越大。为保证无支护的自稳条件,就必须要求有较大的围岩强度比。

3 结论

(1)在带仰拱的隧道施工时,应尽早灌筑仰拱,使之与上部衬砌结构形成闭合环,充分发挥其作用。

(2)在隧道断面型式设计上应选择一种较好的造型。因为在其它条件相同的情况下,断面的形状对应力分布、塑性区的发展和径向位移约束等的影响是相当大的。隧道断面形状应尽可能由光滑的曲线组成,以避免应力集中产生的结构效应。

总之,仰拱的施设对改善隧道结构的受力状况,提高隧道结构的稳定性都有非常重要的作用。

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