王亞瓊　汪珂　劉彤　邱軍領(lǐng)　董偉偉

摘要：基于八仙峁隧道、麻塌隧道2組典型斷面二襯混凝土應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了二襯混凝土在黃土隧道中應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律；通過換算得到二襯結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力，將換算結(jié)果代入安全度應(yīng)力表達(dá)式，得出該斷面下黃土隧道二襯安全度分布，并與有限元數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。結(jié)果表明：在黃土隧道的支護結(jié)構(gòu)中，二襯混凝土結(jié)構(gòu)不僅作為安全儲備，而且往往需要承受大部分荷載，通過數(shù)值模擬確定二襯承受的荷載約為圍巖荷載的40%；二襯混凝土結(jié)構(gòu)作為受壓構(gòu)件，其最大應(yīng)變出現(xiàn)在邊墻底部位置；數(shù)值模擬與計算所得二襯安全度分布規(guī)律基本一致，拱頂、拱肩、邊墻底部仰拱部位安全度相對較小但滿足規(guī)范要求，仰拱底部所受壓應(yīng)力最大且安全度未滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：黃土隧道；有限元法；承載性能；數(shù)值模擬；安全度

中圖分類號：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引 言

伴隨著中國中部崛起、西部開發(fā)戰(zhàn)略決策的持續(xù)深入推進，公路交通建設(shè)勢必成為中西部發(fā)展的首要任務(wù)，黃土公路隧道的研究越來越受到工程界和學(xué)術(shù)界的重視，針對該領(lǐng)域的相關(guān)研究也陸續(xù)開展。趙占廠等[1-2]對黃土隧道圍巖壓力和二襯混凝土應(yīng)變隨時間變化及應(yīng)變沿襯砌輪廓分布情況進行了研究，結(jié)果表明，作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力先增大后減小，而后趨于穩(wěn)定，且實測值較理論計算值略?。粊砗膣i等[3]通過對青土峴隧道現(xiàn)場測試，研究了作用于初支和仰拱上的圍巖壓力、初支和二襯之間接觸壓力，結(jié)果顯示，作用于初支上面的圍巖壓力分布不均，壓力分布表現(xiàn)出典型的貓耳朵狀，且壓力最大處發(fā)生在邊墻底部位置，仰拱所受地基反力相對較??；韓桂武等[4]依托三十里鋪隧道開展相關(guān)測試，對淺埋黃土隧道中作用于初支上的圍巖壓力以及初支與二襯混凝土應(yīng)變隨時間變化規(guī)律及應(yīng)變沿輪廓分布特征進行了研究，結(jié)果表明，在7～10 d作用于初支上的圍巖壓力達(dá)到峰值，在二襯混凝土施作初期，二襯應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，一段時間后拉應(yīng)變?nèi)哭D(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變；來弘鵬等[5]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試，對某黃土公路隧道二襯開裂的病害特征以及產(chǎn)生機理進行研究分析，結(jié)果表明，黃土浸水導(dǎo)致土體強度降低，變形增大，使襯砌結(jié)構(gòu)拱頂內(nèi)側(cè)、邊墻底部外側(cè)被拉裂，進而使邊墻底部內(nèi)側(cè)被壓裂；霍潤科等[6]對定西隧道典型斷面圍巖變化規(guī)律進行監(jiān)控量測，并利用有限元軟件進行模擬，對開挖擾動下初支的受力特性進行研究，并對設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化；李鵬飛等[7]對蘭渝鐵路胡麻嶺隧道初支和二襯接觸壓力進行監(jiān)測，并討論了該接觸壓力隨時間的變化規(guī)律及其沿隧道周邊的空間分布情況；來弘鵬等[8]以西安地鐵二號線工程為依托，對其進行了長期監(jiān)測，分析了作用于初支上的圍巖壓力和初支與二襯接觸壓力及二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力，對作用于襯砌結(jié)構(gòu)各部分的荷載比例進行了量化分析；周濟民等[9]以某地鐵工程為依托，對作用于管片襯砌結(jié)構(gòu)的土荷載、水荷載以及主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行動態(tài)跟蹤測試，并對各項設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化分析，將優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)代入計算公式，發(fā)現(xiàn)計算值與實測值比較接近；周燁[10-11]運用有限元法對在建黃土隧道進行數(shù)值分析，研究了開挖結(jié)束后初支的最佳施作時間，并通過對該隧道現(xiàn)場監(jiān)測，對初支的受力規(guī)律進行了研究；田世雄[12]以甘肅某黃土隧道為依托，通過數(shù)值模擬對直墻式和曲墻式2種斷面形式分別進行計算，結(jié)果表明，曲墻式襯砌的受力特性更加優(yōu)越。針對黃土垂直節(jié)理的研究也有較多文獻(xiàn)進行報道，王景明等[13-15]認(rèn)為黃土中存在的垂直節(jié)理是黃土和黃土狀巖石最普遍而特殊的性質(zhì)，并視其為黃土的主要特征之一。李同錄等[16]通過室內(nèi)試驗?zāi)M自然沉積作用下黃土中水的滲透性，建立一理想顆粒排列模型，利用TEN-15型張力計實測的土-水特征曲線研究黃土垂直節(jié)理形成機理。王正貴等[17]利用野外考察、理論分析和模擬試驗對黃土垂直節(jié)理形成機制進行了探討。羅揚[18]通過數(shù)值模擬對黃土節(jié)理滲透性進行了研究。樂崇浩[19-20]試驗研究了三軸減壓條件下裂隙性黃土的力學(xué)特性。這些研究結(jié)果均表明，黃土的垂直節(jié)理裂隙影響著黃土的滲透特性并使其力學(xué)特性與其他土壤大不相同。

上述對不同地區(qū)黃土隧道襯砌受力特性研究的結(jié)論大致相同，初支邊墻底部壓力較大，圍巖壓力整體呈貓耳朵狀分布，仰拱的承載作用并不明顯。上述結(jié)論說明，按照以往巖質(zhì)隧道設(shè)計以及工程經(jīng)驗進行黃土隧道的設(shè)計缺乏科學(xué)性和合理性，故對黃土隧道安全性能分析必不可少。迄今為止，關(guān)于結(jié)構(gòu)安全度還沒有明確的定義，且規(guī)范中的安全度經(jīng)常是經(jīng)驗取值。因此，關(guān)于黃土隧道安全度的理論研究對規(guī)范黃土隧道安全度計算方法，科學(xué)指導(dǎo)黃土隧道設(shè)計，實現(xiàn)黃土隧道設(shè)計安全與經(jīng)濟的有機統(tǒng)一有著十分重要的意義。筆者以八仙峁隧道、麻塌隧道為工程背景，采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬方法，研究黃土隧道二襯結(jié)構(gòu)受力特點和黃土隧道二襯結(jié)構(gòu)安全度。

1工程概況

八仙峁隧道、麻塌隧道位于G210國道。隧址所屬地貌為黃土塬梁地貌，其中八仙峁隧道最大埋深120 m，麻塌隧道最大埋深118 m。根據(jù)試驗和地質(zhì)勘查資料，得到數(shù)值模擬所用圍巖和二襯結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2安全度

2.1安全度的定義

在施工和使用過程中，偶然荷載或其他不利因素都會影響結(jié)構(gòu)的安全性，為了保證構(gòu)件有足夠的安全儲備，設(shè)計時須考慮結(jié)構(gòu)的安全度。目前，關(guān)于結(jié)構(gòu)安全度并沒有清晰的定義，通常情況下按照規(guī)范給出的安全度取值。通常采用安全度來描述結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，安全度是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在正常設(shè)計、施工和使用維護的條件下，結(jié)構(gòu)的抗力與荷載效應(yīng)的比值。

2.2安全度的計算表達(dá)式

2.2.1安全度的內(nèi)力表達(dá)式

對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)，隧道二襯可以近似看作截面為矩形的混凝土構(gòu)件，其極限狀態(tài)下的承載力被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到混凝土極限抗壓強度而破壞時的承載力，于是構(gòu)件軸心受壓和偏心距e0≤0.2h（h為構(gòu)件截面厚度）的情況下，將按其極限承載力進行計算。根據(jù)材料力學(xué)理論，得到極限承載力Nmax表達(dá)式為