隧道衬砌工程力学性能分析

崔洋　韩永胜

【摘 要】随着我国交通建设的发展，隧道施工项目不断增多，为了保证隧道工程的稳定性，针对围岩压力经常采用衬砌结构进行施工。因此，需要对围岩压力与衬砌结构等相关科学进行研究，分析其受力特性，并针对位移、应变、应力等方面进行总结，找出其中的规律，为今后隧道工程施工提供参考。

【关键词】隧道；围岩压力；衬砌；研究

一、地质因素对隧道围岩的影响

（一）初始应力

初始应力是指在岩体工程开挖之前，在岩体中就赋予着的天然应力。它是天然存在于岩体中的应力，不因施工而产生。岩体的初始应力状态通常可以分为两类：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的构造、地形等经常性的因素；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。因此产生初始应力的原因主要有岩体及其周围介质自重应力和构造应力两种。下面研究一下，初始应力对隧道围岩稳定性的影响：

它与初始应力的侧压力系数值有关，对围岩稳定性影响主要有以下几种形式：

（1）很小时，以垂直应力为主，对其断面结构分析，洞顶和地面将产生拉应力，侧墙产生压应力。在岩石强度较大的洞顶上可能发生坍塌，因此要注意支护。

（2）随着的增大，洞顶和地面拉应力的范围将缩小，但侧墙仍处于较高压应力。因此，要注意侧墙的稳定性，对于强度较高的围岩，可认为稳定，对于强度较低的围岩，要注意其可能产生剪切破坏而坍塌。所以，此时更要注意对侧墙的监测。

（二）岩体结构对工程的影响

这里主要是指结构面对岩体的分割效应。结构面是指岩体内已经开裂或容易开裂的地质界面。软弱结构面是影响隧道围岩稳定性的关键因素。它对岩体性质的影响大于岩石材料的影响。岩体的强度是不同结合程度的多块体的残余强度。

二、隧道围岩压力研究现状

（一）深埋地下工程的围岩压力计算方法研究现状

围岩压力的计算方法对于衬砌结构的力学性能的重要性不言而喻。确定地下工程围岩压力的方法有以下三种：（1）工程仿真法；（2）直接测量法；（3）围岩压力估算法。在围岩压力理论方面，国外常用的方法是普氏理论，即基于塌落拱的计算原理和K.Terzaghi理论，而在我国，一般按习惯采用铁路公路部门推荐使用的围岩压力计算法。

（1）经典普氏理论

根据经典普氏理论，该工程支护结构的竖向均布压力应按下式计算：

在以上公式中，代表水平均布围岩压力，代表坑道高度，代表土体重度，代表围岩相关似摩擦角。

（2）K.Terzaghi理论

根据K.Terzaghi理论，我们把隧道围岩当作散粒体，开挖后，坑道在上方围岩形成了卸落拱，我们根据距地面深度是h的土层水平条带的力平衡条件，列出了相关数学微分方程，并结合边界条件求解，得到了竖向压应力的计算公式见下式： （3）

在以上公式中，代表侧压力系数，代表松动宽度的一半，代表土体重度，代表隧道埋深，代表围岩相关似摩擦角。从公式中可以得到，一般来说，越大，符合如下公式： （4）

当取1.0时，

（5）

（3）中国推荐方法

在我国，铁路公路部门基于工程模拟法的基础，对我国上千铁路公路的隧道塌方进行了统计，分析了调查资料，在此基础上统计出了围岩竖向的均匀压力的计算公式见下式：

式中，为竖直均布压力，为围岩级别，为围岩重度，为宽度影响系数，的取值按照规范规定。

（二）浅埋地下工程的围岩压力计算方法研究现状

（1）当围岩埋深小于等于等效荷载高度的时候，结构侧向压力的相应计算公式为

式中，为侧向均布压力，围岩重度，为隧道埋深，为隧道高度，s为计算摩擦角。

（2）当埋深大于等效荷载高度的时候，可以算出作用在支护上侧压力如下式所述：

因此，作用在支护上的侧压力为：

当侧压力可视为均布分布应力时，公式变为

三、衬砌结构建模计算分析

该建模选取的隧道型式为二维衬砌结构，其中隧道的埋深是3.8m，在上面覆盖土体重度为=22kN/m3，土的压力系数=1-sin=0.5，内摩擦角是31°；所用材料混凝土的重度=26kN/m3，弹性系数=2.87×107kN/m3，设计标准强度fck=2.68×106kN/m3，泊松比取为0.17；隧道采用的形状为三心圆隧道，其中角等于角，半径=6.3m，半径=4.8m，都是60°。

在建模之后，我们对结构依次施加地基弹簧、竖直荷载及侧向力梯形分布荷载，而后对荷载进行了荷载组合。

四、结构仿真计算结果规律分析

经过分析计算，得到隧道衬砌在竖向荷载、自重荷载、水平荷载、组合荷载下衬砌的位移、应力和应变分布。

（一）结构位移规律分析

查看结果，组合荷载下，该工程隧道衬砌在竖向方向上的最大位移发生在隧道拱顶的地方，最大位移是向下的43.56mm；水平方向上的最大位移发生在隧道侧壁的地方，最大位移是13.27mm；隧道底部发生了隆起变形，最大位移是向上的5.65mm。

（二）內力规律分析

在组合荷载下，该工程隧道衬砌结构在Y方向的弯矩在衬砌结构侧壁处达到了最大值，最大绝对值弯矩为421.67kN，衬砌结构底部最大绝对值弯矩为363.217kN。