基于荷载结构法的隧道衬砌断面优化方案分析

谷莉薇

(山西省交通开发投资集团有限公司 太原市 030006)

隧道的安全性及稳定性至关重要，一旦隧道出现安全性问题，将对社会造成重大影响[1-3]。作为隧道的主体结构，隧道二次衬砌的稳定性将直接影响隧道结构的使用功能，针对隧道衬砌的受力分析及优化设计研究，相关学者已有较多的研究[4-6]。以某穿越较差地质条件下的山岭隧道为研究对象，对其现有衬砌设计方案进行优化研究，依据隧道设计规范中推荐的荷载结构法，针对仰拱及仰拱隅角半径设计了三种优化方案。基于Midas/GTS NX软件对比分析了原方案以及三种优化方案下衬砌的轴力、弯矩及剪力的分布图，并对衬砌安全性进行分析，研究得出适用此隧道的最佳衬砌断面设计方案。

1 衬砌断面方案

某双车道公路隧道穿越山岭，山体围岩等级为Ⅳ级，单向双洞，为分离式隧道。选取某桩号处分析隧道断面衬砌的受力情况，该桩号处隧道埋深25 m，围岩重度γ=22 kN/m3，用于后文荷载结构法中围岩松散压力的计算。衬砌断面原方案及优化方案如图1所示，其中Ry表示仰拱半径，Ryc表示仰拱隅角半径。

图1 隧道衬砌断面方案

为了改善衬砌的整体受力情况，对隧道衬砌断面参数进行优化，优化方案相比原方案均设置了仰拱，并调整了仰拱及仰拱隅角参数，断面方案具体参数如表1所示。

表1 衬砌断面方案参数

2 隧道模型及参数

基于Midas/GTS NX软件，采用荷载-结构法建立隧道模型，根据《公路隧道设计细则》[7](JTG/T D70—2010)中单洞隧道围岩松散压力计算结构所受荷载，采用弹性模型，采用梁单元来模拟，设置材料类型为各项同性，受力结构采用非线性分析，数值计算模型如图2所示。

图2 数值分析模型

根据规范查的衬砌材料及参数如表2所示。

表2 模型计算衬砌材料及属性参数表

3 数值模拟结果分析

3.1 轴力对比分析

通过数值模拟计算，导出轴力如图3所示。

图3 衬砌最大轴力变化规律

从图3可以看出，原方案下，由于未设置仰拱，衬砌最大轴力位置出现在墙脚部位，最大值为-1.086×103kN，受压；相比设置仰拱的方案一、方案二、方案三，衬砌最大轴力位置出现在仰拱部位，可知仰拱的设置能够较好地改善衬砌整体的受力。随着仰拱及仰拱隅角部位半径的增大，仰拱处最大轴力值分别为-1.173×103kN、-1.209×103kN、-1.24×103kN，最大轴力值不断增大，分析认为混凝土结构的抗压强度较高，仰拱轴力值的增大充分发挥了衬砌抗压性能。

3.2 弯矩对比分析

绘制不同隧道衬砌断面方案的衬砌弯矩如图4所示。

图4 衬砌弯矩最大值变化

从图4中可以看出，衬砌弯矩中，原方案的最大正弯矩为4.201×102kN·m，位于衬砌底板中心部位；最大负弯矩为-7.246×102kN·m，位于衬砌墙脚部位，相比设置仰拱的方案，最大正弯矩分布在仰拱部位，最大负弯矩分布在仰拱隅角处。设置仰拱的方案一相比原方案衬砌出现了较大的降低，正弯矩值减小至2.535×102kN·m，最大负弯矩值减小为-3.553×102kN·m。优化方案二、方案三相比方案一，随着仰拱及仰拱隅角部位半径的增大，衬砌的正、负弯矩值分别减小至2.519×102、-3.193×102和2.457×102、-2.874×102kN·m，但减小幅度有所降低。

3.3 剪力对比分析

绘制不同隧道衬砌断面方案的衬砌剪力如图5所示。

图5 衬砌最大剪力变化规律

从图5中可以看出，原方案中，衬砌剪力最大值位于底板的靠近墙脚位置处，最大剪力值为8.113×102kN，其次是墙脚部位；相比设置仰拱的方案，衬砌剪力最大值位于仰拱隅角处，其次是墙脚部位。分析发现方案一相比原方案，衬砌剪力最大值同样出现了较大幅度的降低，减小至3.385×102kN，同样可知，相比无仰拱的衬砌整体受力情况，设有仰拱的隧道衬砌有了大幅度改善。比较方案一、方案二、方案三可以发现，随着仰拱及仰拱隅角半径的增大，衬砌剪力最大值在不断减小至3.035×102kN、2.774×102kN。

3.4 衬砌安全性分析

根据《公路隧道设计细则》[7](JTG/T D70—2010)，计算出现弯矩、剪力最大值的衬砌仰拱隅角及墙脚单元处的偏心距e0和安全系数K，结算结果如表3所示。

表3 衬砌特征单元偏心距和安全系数

通过对比可以清楚地看到，原方案未设置仰拱时，墙脚单元的偏心距e0为0.124，设置仰拱后墙脚偏心距发生了较大幅度的减小；未设置仰拱时墙脚单元的安全系数K仅为1.68，设置仰拱后墙脚安全系数升高至1.89，同样出现了大幅度提高。对比分析方案一、方案二衬砌墙脚单元及仰拱隅角单元的偏心距e0分别减小了0.002及0.005，而方案三相比方案二衬砌墙脚单元及仰拱隅角单元的偏心距e0分别减小了0.025及0.03。相比安全系数K，对比方案一、方案二、方案三墙脚单元的安全系数不断提高，但提高幅度较小；而对于仰拱隅角单元，方案三相比方案一、方案二，偏心距e0和安全系数K均分别出现了显著的减小与提高，可以认为方案三衬砌整体安全性最高。

4 结语

为了研究隧道衬砌不同设计方案的受力情况，对某隧道衬砌方案进行优化设计，基于荷载结构法对比分析了三种优化方案下衬砌的轴力、弯矩及剪力分布情况，得到以下主要结论：

(1)相比设置仰拱的方案，衬砌最大轴力位置出现在仰拱部位，且随着仰拱及仰拱隅角部位半径的增大，仰拱处轴力最大值不断增大，因混凝土结构的抗压强度较高，仰拱轴力值的增大充分发挥了衬砌抗压性能。

(2)对于弯矩及剪力，相比原设计方案，优化方案衬砌的弯矩最大值及剪力最大值均出现了大幅度减小，且随着仰拱及仰拱隅角部位半径的增大不断减小。

(3)设置仰拱后墙脚偏心距发生了较大幅度的减小，墙脚单元的安全系数K出现了大幅度提高；三个优化方案之间对比发现，方案三对墙脚单元及仰拱隅角单元的偏心距e0有了大幅度减小，仰拱隅角单元安全性系数K大幅提高，可以认为方案三的衬砌结构整体安全性最高。