关于隧道“微整形”对受力状态影响的研究

(重庆交通大学 重庆 400000)

一、引言

在实际隧道设计中，大部分都是套用标准图纸，按着不同的围岩级别、隧道规模等等套用相应的标准图纸以提高工作效率。但是在实际中，对隧道进行一些部位的小小的调整，其受力状态会发生较大的变化，使隧道围岩最大化承受围岩压力，减少衬砌结构的受力，从而使得隧道减少衬砌结构，节约成本并且保证隧道安全施工运营，达到经济合理[1-3]。

隧道“微整形”是通过微小调整隧道的尺寸，通过有限元分析其受力计算，分析其受力状态发生的变化规律，通过比较分析其在什么样的断面下隧道的受力最优。

本文主要是对简化模型的数值分析计算，并用最简单的方法微小调整隧道的断面，计算其受力的状态，分析其隧道的在微小调整隧道断面过后的变化状态。

二、隧道断面“微整形”的思路

通过对典型隧道断面的进行一个简化过后进行建模，其简化模型如下图1所示，微小调节模型断面则只是通过该表点5的坐标，使点5进行简单的上下移动，点50也随之移动，每次移动的距离为0.05m，每次计算的点5的坐标如表1所示。

图1 隧道的简化模型

三、计算模型的建立以及材料物理力学参数

(一)计算模型的建立

隧道工程和其他工程类似，经常用比选的方法来选择方案进行优化，采用大型软件ANSYS对不同尺寸断面衬砌结构进行计算与分析，采用荷载结构法对隧道衬砌结构进行力学分析，衬砌结构采用梁单元Beam3，隧道结构与围岩间的相互作用采用Combin14，其建立的模型如图2所示。

(二)围岩及材料物理力学参数

本次采用的是Ⅲ类围岩，容重为22KN/m3，弹性模量为3.2GPa，泊松比为0.32，基床系数为400KN/m3，凝聚力为衬砌结构所采用的混凝土标号为C30，钢筋混凝土的容重为25KN/m3，弹性模量为30GPa，泊松比为0.2[4]。

图2 隧道的有限元模型

四、不同隧道断面分析比较

改变点5的坐标，分别计算隧道断面的弯矩图、轴力图以及剪力图，根据隧道的受力特征，按照图3单元编号图中选取11单元、26单元、13单元、20单元进行弯矩和轴力进行分析，选取11单元、24单元、8单元、20单元进行剪力分析。其分析结果如下。

图3 单元编号图

图4 弯矩变化图

根据图4中可以看出，当随着点5的坐标变大，11、13单元的弯矩呈变小趋势，11单元变化幅度较大，13单元变化幅度较小；26、20单元的弯矩呈增大趋势，单元变化幅度较小。因此，当随着点5坐标增大，拱顶的弯矩值变小，拱脚和拱底弯矩值变大。

图5 轴力变化图

根据表图5中可以看出，当随着点5的坐标变大，11、26、13、11单元的轴力都呈变小趋势，变化幅度较小。因此，当随着点5坐标增大，隧道断面的轴力都呈减小趋势。

图6 剪力变化图

根据图6中可以看出，当随着点5的坐标变大，11、8单元的剪力呈变小趋势，11单元变化幅度较大，8单元变化幅度较小；20、24单元的剪力呈增大趋势，单元变化幅度较小。因此，当随着点5坐标增大，拱顶的剪力变小，拱脚和拱底弯矩值变大。

五、结论

1、微小的调节断面的尺寸，隧道的弯矩、剪力拱顶变化比较大，其余部位变化较小，轴力影响相对较少，因此在隧道设计时，微小调节隧道尺寸有重要意义。

2、通过计算弯矩、剪力最大值出现在拱底处，但是随着点5坐标增大，拱底弯矩、剪力成增加趋势，所以从最大值考虑，适当降低点5坐标有利于隧道衬砌。

3、隧道“微整形”应该进行多位置的调整，调整出合理的断面使得更加安全经济。