基于安全度的黄土隧道结构承载性能分析

王亚琼　汪珂　刘彤　邱军领　董伟伟

摘要：基于八仙峁隧道、麻塌隧道2组典型断面二衬混凝土应变监测数据，分析了二衬混凝土在黄土隧道中应变随时间的变化规律；通过换算得到二衬结构所受应力，将换算结果代入安全度应力表达式，得出该断面下黄土隧道二衬安全度分布，并与有限元数值模拟结果进行对比。结果表明：在黄土隧道的支护结构中，二衬混凝土结构不仅作为安全储备，而且往往需要承受大部分荷载，通过数值模拟确定二衬承受的荷载约为围岩荷载的40%；二衬混凝土结构作为受压构件，其最大应变出现在边墙底部位置；数值模拟与计算所得二衬安全度分布规律基本一致，拱顶、拱肩、边墙底部仰拱部位安全度相对较小但满足规范要求，仰拱底部所受压应力最大且安全度未满足规范要求。

关键词：黄土隧道；有限元法；承载性能；数值模拟；安全度

中图分类号：U451.2 文献标志码：A

0引 言

伴随着中国中部崛起、西部开发战略决策的持续深入推进，公路交通建设势必成为中西部发展的首要任务，黄土公路隧道的研究越来越受到工程界和学术界的重视，针对该领域的相关研究也陆续开展。赵占厂等[1-2]对黄土隧道围岩压力和二衬混凝土应变随时间变化及应变沿衬砌轮廓分布情况进行了研究，结果表明，作用于衬砌结构上的围岩压力先增大后减小，而后趋于稳定，且实测值较理论计算值略小；来弘鹏等[3]通过对青土岘隧道现场测试，研究了作用于初支和仰拱上的围岩压力、初支和二衬之间接触压力，结果显示，作用于初支上面的围岩压力分布不均，压力分布表现出典型的猫耳朵状，且压力最大处发生在边墙底部位置，仰拱所受地基反力相对较小；韩桂武等[4]依托三十里铺隧道开展相关测试，对浅埋黄土隧道中作用于初支上的围岩压力以及初支与二衬混凝土应变随时间变化规律及应变沿轮廓分布特征进行了研究，结果表明，在7～10 d作用于初支上的围岩压力达到峰值，在二衬混凝土施作初期，二衬应变为拉应变，一段时间后拉应变全部转变为压应变；来弘鹏等[5]通过数值模拟和现场测试，对某黄土公路隧道二衬开裂的病害特征以及产生机理进行研究分析，结果表明，黄土浸水导致土体强度降低，变形增大，使衬砌结构拱顶内侧、边墙底部外侧被拉裂，进而使边墙底部内侧被压裂；霍润科等[6]对定西隧道典型断面围岩变化规律进行监控量测，并利用有限元软件进行模拟，对开挖扰动下初支的受力特性进行研究，并对设计参数进行了优化；李鹏飞等[7]对兰渝铁路胡麻岭隧道初支和二衬接触压力进行监测，并讨论了该接触压力随时间的变化规律及其沿隧道周边的空间分布情况；来弘鹏等[8]以西安地铁二号线工程为依托，对其进行了长期监测，分析了作用于初支上的围岩压力和初支与二衬接触压力及二衬结构应力，对作用于衬砌结构各部分的荷载比例进行了量化分析；周济民等[9]以某地铁工程为依托，对作用于管片衬砌结构的土荷载、水荷载以及主体结构内力进行动态跟踪测试，并对各项设计参数进行优化分析，将优化后的设计参数代入计算公式，发现计算值与实测值比较接近；周烨[10-11]运用有限元法对在建黄土隧道进行数值分析，研究了开挖结束后初支的最佳施作时间，并通过对该隧道现场监测，对初支的受力规律进行了研究；田世雄[12]以甘肃某黄土隧道为依托，通过数值模拟对直墙式和曲墙式2种断面形式分别进行计算，结果表明，曲墙式衬砌的受力特性更加优越。针对黄土垂直节理的研究也有较多文献进行报道，王景明等[13-15]认为黄土中存在的垂直节理是黄土和黄土状岩石最普遍而特殊的性质，并视其为黄土的主要特征之一。李同录等[16]通过室内试验模拟自然沉积作用下黄土中水的渗透性，建立一理想颗粒排列模型，利用TEN-15型张力计实测的土-水特征曲线研究黄土垂直节理形成机理。王正贵等[17]利用野外考察、理论分析和模拟试验对黄土垂直节理形成机制进行了探讨。罗扬[18]通过数值模拟对黄土节理渗透性进行了研究。乐崇浩[19-20]试验研究了三轴减压条件下裂隙性黄土的力学特性。这些研究结果均表明，黄土的垂直节理裂隙影响着黄土的渗透特性并使其力学特性与其他土壤大不相同。

上述对不同地区黄土隧道衬砌受力特性研究的结论大致相同，初支边墙底部压力较大，围岩压力整体呈猫耳朵状分布，仰拱的承载作用并不明显。上述结论说明，按照以往岩质隧道设计以及工程经验进行黄土隧道的设计缺乏科学性和合理性，故对黄土隧道安全性能分析必不可少。迄今为止，关于结构安全度还没有明确的定义，且规范中的安全度经常是经验取值。因此，关于黄土隧道安全度的理论研究对规范黄土隧道安全度计算方法，科学指导黄土隧道设计，实现黄土隧道设计安全与经济的有机统一有着十分重要的意义。笔者以八仙峁隧道、麻塌隧道为工程背景，采用现场实测和数值模拟方法，研究黄土隧道二衬结构受力特点和黄土隧道二衬结构安全度。

1工程概况

八仙峁隧道、麻塌隧道位于G210国道。隧址所属地貌为黄土塬梁地貌，其中八仙峁隧道最大埋深120 m，麻塌隧道最大埋深118 m。根据试验和地质勘查资料，得到数值模拟所用围岩和二衬结构物理力学参数见表1。

2安全度

2.1安全度的定义

在施工和使用过程中，偶然荷载或其他不利因素都会影响结构的安全性，为了保证构件有足够的安全储备，设计时须考虑结构的安全度。目前，关于结构安全度并没有清晰的定义，通常情况下按照规范给出的安全度取值。通常采用安全度来描述结构的稳定程度，安全度是指结构或构件在设计基准期内，在正常设计、施工和使用维护的条件下，结构的抗力与荷载效应的比值。

2.2安全度的计算表达式

2.2.1安全度的内力表达式

对于隧道衬砌结构，隧道二衬可以近似看作截面为矩形的混凝土构件，其极限状态下的承载力被认为是结构构件达到混凝土极限抗压强度而破坏时的承载力，于是构件轴心受压和偏心距e0≤0.2h（h为构件截面厚度）的情况下，将按其极限承载力进行计算。根据材料力学理论，得到极限承载力Nmax表达式为