公路隧道二次衬砌受力特征研究现状综述

2018-09-18唐国平牛吉锋朱世奇刘艺桥

数码设计 2018年2期

唐国平，牛吉锋，朱世奇，刘艺桥

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林长春，130118）

引言

公路隧道，一般是指修筑在地下供车辆行驶的通道，有时还兼做行人和管线的通道。中国最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石门隧道，建成于东汉年间。从上个世纪以来，汽车数量不断增加，公路路线标准化相应提高，公路隧道也逐渐增多。与此同时，修筑隧道的方法也越来越专业化，隧道衬砌的作用也尤为突出。二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成的复合式衬砌。二次衬砌和初期支护相对来说，指在隧道已经进行初期支护的条件下，用混凝土等材料修建的内层衬砌结构，以达到加固支护、方便设置通讯、优化路线防排水系统、美化外观、监测、照明等设施的作用，以适应现代化高速道路隧道建设的要求。因此，研究二次衬砌结构的受力情况对施工安全、隧道的稳定，结构优化、造价等方面均有重要的意义。

1 公路隧道二次衬砌受力研究现状

1.1 现场试验研究

现场试验是指在实际的的场所进行的试验研究，这样进行的试验可靠度高，接近真实效果，更具有说服力，相比其他方法较复杂繁琐，但是为了更具有说服力，现实生活中有很多的现场试验研究，那么，下面列举一些有关公路隧道的现场试验研究成果。

王兵[1]通过两车道公路隧道衬砌设计方案进行数值分析与比较，验证了此隧道采用复合式衬砌进行新奥法施工的技术可行性以及合理性。晏启祥等[2]以以软岩小净距隧道为研究对象，加强分析了在不同开挖方式受力特点，以及围岩特征点变形和应力的关系、围岩压力与位移的关系等等。2010年杨昌贤等[3]对垫邻路明月山隧道和铜锣山隧道现场实测，归纳了明月山隧道和铜锣山隧道若干实测的围岩压力值，经过分析：Ⅳ级围岩逼Ⅲ级围岩压力要大近2倍左右，分布规律相差不多，两侧拱腰位置较大。李鹏飞，张顶力等[4]在兰渝铁路胡麻岭隧道进行二次衬砌与初期支护之间的接触压力的测试，由实验得出：（1）二次衬砌完全可以作为储备设计。（2）拱墙上部的测试点显示，随着监测时间的增长，初期支护与二次衬砌之间的接触压力存在一个先增大然后减小然后缓慢增大最后趋于稳定的过程。

1.2 室内模拟试验

室内模拟试验简单地说是在人为控制某些条件下进行的实验研究，通过模拟得出相关结论，这种方法往往需要建立模型用来研究，以此到达最真实的效果，隧道研究方面多利用软件等建立模型，用于更好的研究。

潘世强[5]提出了复杂材料在弹塑性分析中需要注意要建立一个符合材料特性的屈服准则、应力应变增量的相对关系的法则和在屈服后材料应力状态的硬化规律。潘世强[6]提出了考虑的荷载主要为结构自重、围岩压力、外水压力以及围岩的弹性抗力的计算模型。二次衬砌用的是以梁为单元的模拟，围岩的弹性抗力用受压弹簧来模拟，采用“水土分算”的方法。Bemardino Chiaia[7]等等通过对衬砌结构安全评价的研究，建立了隧道衬砌裂缝的评价模型，在此条件下对衬砌裂缝的扩展规律及发展趋势进行了预报。门洋[8]在室内用SJZ8-2型数字便携式岩心直剪仪，进行试件的剪切试验，通过绘制u-t试验曲线，得出在等大的法向应力作用下，复合型PVC试件与PVC+土工布试件相比，剪切-位移绘制的图形形状基本相同，由此可知，PVC+土工布对混凝土的约束比复合型EVA小，在此基础上，又进行了洞室大尺寸剪切试验，试验采用洞室内混凝土地面和一块混凝土块模拟衬砌，得出结论：（1）防水材料与缓冲层组合使用，对于衬砌的约束作用要小于防水材料单独使用。（2）防水材料与缓冲层无粘结，对衬砌的约束作用要小于复合型防水材料。（3）对于同一材料，法向应力越大，对衬砌的约束作用越强。

1.3 理论分析

理论分析是利用已有的理论，经过一系列计算推导得出的结论，首先要明确问题，确定运用什么知识理论，然后进行计算，利用计算结果，分析得出结论，此方法相对来说，没有通过事实来得出结论，可信度不是很高。

宋小行等[9]利用弹塑性理论分析，将衬砌结构简化成厚壁圆筒进行分析，如果二衬衬砌结构可靠性满足相关要求，则要满足以下条件：，（——圆内最大内切力，——二次衬砌外半径，——二次衬砌内半径，——混凝土标准抗压强度，——原始地应力）通过理论计算分析，得出了相关结论：（1）对于三级围岩，可以将隧道二次衬砌简化为厚壁圆筒的模型，利用弹塑性理论进行分析。（2）通过仿真模拟的方法来分析二次衬砌稳定性的结果与弹塑性理论的分析是一样的。对于围岩压力的理论计算，常用的围岩压力计算理论有太沙基理论、普氏理论等，杨昌贤等[10]利用这些理论计算与实测值相比较，通过对3种围岩的理论计算与实测值相比较，得出Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩深埋段比较符合实测值。崔磊[11]通过总结二次衬砌的计算方法，分析二次衬砌和初期支护的承载模式，提出释放荷载系数分析方法，运用该方法，分析初期支护承受不同荷载释放系数时，对二次衬砌结构的受力影响，总结出了初期支护担荷载比和二次衬砌结构内力变化的一般规律等。李亚勇[12]利用多种理论计算方法求解隧道的相关问题，其中探讨了理论计算中迭代次数对计算精度的重要影响,并给出迭代次数的确定原则。最后,对比分析了浅埋双圆孔隧道径距、地层沉降、夹角对围岩应力及塑性区分布的影响等。

1.4 数值模拟

数值模拟大多数是利用计算机软件，通过数值计算及图像显示的方法，用来达到对工程问题（公路隧道等）等各类问题的研究，对于隧道二次衬砌的研究，比如ANSYS软件等等，以下就是有关利用数值模拟对隧道研究的成果。

在数值计算模拟的研究方面，李建军等[13]通过大型数值分析软件FLAC3D,用该软件模拟围岩材料的蠕变现象，通过对模型的理论数值分析，经过一系列计算，求得各监控点（拱顶、拱腰、拱脚等）以及安全系数是由于围岩蠕变作用而引起的二次衬砌结构的内力随时间变化而不断变化的趋势。李雷、张慧等[14]建立了二次衬砌结构法的有限元模型，通过一系列数值模拟分析，得出了二次衬砌内力随隧道衬砌厚度及隧道的埋置深度的变化规律。吉艳雷[15]通过对海底的钢筋锈蚀问题就行了研究，他是运用荷载结构法的原理建立了三车道的隧道实体单元模型，总结了钢筋锈蚀对二次衬砌承载能力的影响规律。朱汉化、孙红月等[16]对三车道公路隧道做过相关的模拟实验，研究了衬砌压力的分布状况和衬砌结构的承载能力等。

2 结束语

本文通过对现场测试二次衬砌受力的相关文献分析，知道了二次衬砌的复合式模型，并且知道了二次衬砌承受力以及分配围岩压力。通过一系列现场测试，得出了一些二次衬砌的受力特点，以及围岩压力与位移的关系等等。通过室内模拟试验，利用试验模拟，建立相关的模型来到达研究的目的，而且可以参与现场测试来相比较，得出更加准确的结论。理论分析就是利用相关的理论知识，比如弹塑性理论、太沙基理论等，利用这些理论可以分析得出二次衬砌可靠性以及围岩压力的相关计算等结论。数值模拟试验是借助于软件进行试验分析，比如FLAC3D等，也可以建立相关的有限元模型，进行一系列数值模拟分析，也能得出二次衬砌结构的内力随各种各种原因的变化趋势，也能通过数值模拟二次衬砌承载能力的影响因素等。

经过分析一些研究有关二次衬砌的研究现状，发现在理论分析方面比较好，而现场模拟及室内试验，并不是很严谨，存在相关误差。所以希望在做相关的试验时，能把理论与现实相结合，现场测试试验尽量按照理论要求来做，采用数值模拟利用软件分析的时候，一定要熟悉相关软件。另外还可以通过现场调查、收集资料，并统计隧道设计及施工参数等，利用有限元分析，分析二次衬砌结构的受力、变形特征及影响因素等。

随着科技的发展，目前公路隧道是越来越多、越修越长、越修越宽，技术也越来越难，涉及结构、排水、安全等多种学科，而其基本特点是地质环境复杂，隧道工程的设计必须综合考虑大量的、关系错综复杂的地质因素、工程因素、施工因素等，因此，进一步对隧道的研究有利于公路隧道的发展，更好的指导将来公路隧道的施工。

[1]王兵.双车道公路隧道复合式衬砌研究[J].中国公路学报，1997，10(4):64-69.

[2]晏启祥.不同开挖方式下软岩小净距隧道力学效应分析[J].现代隧道技术，2004，增刊:282-286.

[3]杨昌贤.公路隧道二次衬砌承载能力与优化设计研究[D].西南交通大学， 2010.

[4]李鹏飞.大断面黄土二次衬砌受力特性研究[J].岩石力学与工程学报，2010,8(8):1691-1692.

[5]潘世强.公路隧道动态施工过程数值模拟与二次衬砌结构安全性分析[D].重庆交通大学，2010，（1）:15-16.

[6]潘世强.公路隧道动态施工过程数值模拟与二次衬砌结构安全性分析[D].重庆交通大学，2010，（1）：47-48.

[7]孙洋.大断面带片岩区公路隧道二衬开裂机理及安全评价[D].2015，（5）:6-7.

[8]门洋.严寒地区公路隧道二次衬砌纵向变形机理研究[D].吉林大学，2013，（4）:23-43.

[9]宋小行，杨再海，许刚，邵建峰，雷璇.隧道二次衬砌可靠性的仿真模拟分析[J].科学技术与工程，2010，（32）.

[10]杨昌贤，崔光耀，王乐明.基于监控测量的公路隧道二次衬砌受力分担比例.世界地质，2012，（1）:194-197.

[11]崔磊.深埋式输水隧洞初期支护对二次衬砌结构的受力影响研究[J].华北水利水电大学，2017，（1）：15-16.