公路隧道二次衬砌受力分析

张超 朱世奇 吴天成 胡思齐 徐丽娜

摘 要 公路隧道二次衬砌除了满足建筑限界条件外，还需要具有足够的强度和安全性。本文在分析现有的公路隧道二次衬砌受力研究现状的基础上，对公路隧道曲墙式衬砌的截面强度理论计算方法进行阐述，并以某实际工程为例，分析公路隧道二次衬砌的受力状态，本文的研究为公路隧道二次衬砌受力状态的分析提供一定的借鉴和参考。

關键词 公路隧道;二次衬砌;受力分析

概述

公路隧道衬砌除了必须要满足建筑限界和保证足够的净空以外，还要求有足够的强度，能够保证使用期内的安全性和可靠性。隧道开挖后，衬砌结构在围岩压力长期作用下，特别是不均匀压力作用下，容易产生裂纹或破坏，进而带来一定的经济损失。因此，隧道主体结构受力特征的研究得到了国内外学者的广泛关注。张铎等建立有限元模型，利用荷载-结构法分析某隧道二次衬砌结构的安全性[1]。于景龙等通过现场监测数据和数值模拟分析，研究了初期支护与二次衬砌之间接触压力的分布规律[2]。王运周等通过现场监测，分析松散堆积体隧道二次衬砌受力特征及承载机理[3]。马福彬等研究了岩溶区隧道二次衬砌结构内力的分布特征[4]。刘瑞斌等以实际工程为依托，分析了不同围岩级别条件下，衬砌背后水压和衬砌接触压力的分布特征[5]。

本文在研究国内外相关文献资料的基础上，对公路隧道曲墙式衬砌的截面强度理论计算方法进行阐述，并以某实际工程为例，分析公路隧道二次衬砌的受力状态，本文的研究为公路隧道二次衬砌受力状态的分析提供一定的借鉴和参考。

1曲墙式衬砌计算方法

1.1 主动荷载作用下的力法方程和内力

公路隧道一般情况采用曲墙式衬砌形式，又拱圈、曲边墙和仰拱组成，拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰拱计算，若施工时后做仰拱，可不考虑仰拱对衬砌的影响。取基本结构如图1所示。

根据拱顶截面相对变位为零的条件，可列出力法方程，如公式（1）所示。

1.2 衬砌最终内力计算

计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力，可得：

衬砌总内力可用公式（3）计算得到。

2实例分析

某山岭一级公路隧道，设计时速为80 km/h，计算段围岩级别为V级，容重为=18 N/3，弹性抗力系数= 150 Pa/，形变模量 E=1.2 GPa，泊松比=0.4，内摩擦角= 22°，黏聚力= 0.1Pa，计算摩擦角= 45°;衬砌材料为 C25 混凝土，弹性模量? = 2.8 × 107Pa，容重? = 25N/3，厚度为40 cm。图2为衬砌结构计算示意图。

根据公式（1）～（3）可以得到衬砌总内力，如表1所示。

将内力计算结果按比例尺绘制弯矩图及轴力图，如图3所示。从图上可以看出洞顶弯处弯矩最大，而轴力最大值出现在拱脚处。在截面2、截面3、截面4、截面6和截面7处出现负弯矩，其中最大负弯矩出现在拱肩，因此在截面验算时应该重点关注拱顶截面，拱脚截面和最大负弯矩截面。

3结束语

本文在分析现有的公路隧道二次衬砌受力研究现状的基础上，对公路隧道曲墙式衬砌的截面强度理论计算方法进行阐述，并以某实际工程为例，分析公路隧道二次衬砌的受力状态，通过计算发现洞顶弯处弯矩最大，而轴力最大值出现在拱脚处，最大负弯矩出现在拱肩，因此在截面验算时应该重点关注拱顶截面，拱脚截面和最大负弯矩截面。本文的研究为公路隧道二次衬砌受力状态的分析提供一定的借鉴和参考。

参考文献

[1] 张铎，张莹.隧道二次衬砌结构验算与裂缝原因分析[J].黄河水利职业技术学院学报，2017，29（2）：21-24.

[2] 于景龙，靳文强.高速铁路泥岩隧道二次衬砌受力特性分析[J].兰州工业学院学报，2017，24（1）：29-33.

[3] 王运周，程寅，费月英，等.覆盖松散堆积体隧道二衬受力特性研究[J].工程勘察，2018，46（2）：12-16.

[4] 马福彬，倪婉昱.岩溶区连拱隧道二次衬砌的受力特征分析[J].交通节能与环保，2019，15（3）：107-109，113.

[5] 刘瑞斌.富水大断面软岩隧道支护结构受力性能试验[J].土木工程与管理学报，2019，36（5）：123-128，136.