隧道襯砌工程力學性能分析

崔洋　韓永勝

【摘 要】隨著我國交通建設的發展，隧道施工項目不斷增多，為了保證隧道工程的穩定性，針對圍巖壓力經常采用襯砌結構進行施工。因此，需要對圍巖壓力與襯砌結構等相關科學進行研究，分析其受力特性，并針對位移、應變、應力等方面進行總結，找出其中的規律，為今后隧道工程施工提供參考。

【關鍵詞】隧道；圍巖壓力；襯砌；研究

一、地質因素對隧道圍巖的影響

（一）初始應力

初始應力是指在巖體工程開挖之前，在巖體中就賦予著的天然應力。它是天然存在于巖體中的應力，不因施工而產生。巖體的初始應力狀態通?？梢苑譃閮深悾旱谝活愐蛩赜兄亓?、溫度、巖體的物理力學性質、巖體的構造、地形等經常性的因素；第二類因素有地殼運動、地下水活動、人類的長期活動等暫時性的或局部性的因素。因此產生初始應力的原因主要有巖體及其周圍介質自重應力和構造應力兩種。下面研究一下，初始應力對隧道圍巖穩定性的影響：

它與初始應力的側壓力系數值有關，對圍巖穩定性影響主要有以下幾種形式：

（1）很小時，以垂直應力為主，對其斷面結構分析，洞頂和地面將產生拉應力，側墻產生壓應力。在巖石強度較大的洞頂上可能發生坍塌，因此要注意支護。

（2）隨著的增大，洞頂和地面拉應力的范圍將縮小，但側墻仍處于較高壓應力。因此，要注意側墻的穩定性，對于強度較高的圍巖，可認為穩定，對于強度較低的圍巖，要注意其可能產生剪切破壞而坍塌。所以，此時更要注意對側墻的監測。

（二）巖體結構對工程的影響

這里主要是指結構面對巖體的分割效應。結構面是指巖體內已經開裂或容易開裂的地質界面。軟弱結構面是影響隧道圍巖穩定性的關鍵因素。它對巖體性質的影響大于巖石材料的影響。巖體的強度是不同結合程度的多塊體的殘余強度。

二、隧道圍巖壓力研究現狀

（一）深埋地下工程的圍巖壓力計算方法研究現狀

圍巖壓力的計算方法對于襯砌結構的力學性能的重要性不言而喻。確定地下工程圍巖壓力的方法有以下三種：（1）工程仿真法；（2）直接測量法；（3）圍巖壓力估算法。在圍巖壓力理論方面，國外常用的方法是普氏理論，即基于塌落拱的計算原理和K.Terzaghi理論，而在我國，一般按習慣采用鐵路公路部門推薦使用的圍巖壓力計算法。

（1）經典普氏理論

根據經典普氏理論，該工程支護結構的豎向均布壓力應按下式計算：

在以上公式中，代表水平均布圍巖壓力，代表坑道高度，代表土體重度，代表圍巖相關似摩擦角。

（2）K.Terzaghi理論

根據K.Terzaghi理論，我們把隧道圍巖當作散粒體，開挖后，坑道在上方圍巖形成了卸落拱，我們根據距地面深度是h的土層水平條帶的力平衡條件，列出了相關數學微分方程，并結合邊界條件求解，得到了豎向壓應力的計算公式見下式： （3）

在以上公式中，代表側壓力系數，代表松動寬度的一半，代表土體重度，代表隧道埋深，代表圍巖相關似摩擦角。從公式中可以得到，一般來說，越大，符合如下公式： （4）

當取1.0時，

（5）

（3）中國推薦方法

在我國，鐵路公路部門基于工程模擬法的基礎，對我國上千鐵路公路的隧道塌方進行了統計，分析了調查資料，在此基礎上統計出了圍巖豎向的均勻壓力的計算公式見下式：

式中，為豎直均布壓力，為圍巖級別，為圍巖重度，為寬度影響系數，的取值按照規范規定。

（二）淺埋地下工程的圍巖壓力計算方法研究現狀

（1）當圍巖埋深小于等于等效荷載高度的時候，結構側向壓力的相應計算公式為

式中，為側向均布壓力，圍巖重度，為隧道埋深，為隧道高度，s為計算摩擦角。

（2）當埋深大于等效荷載高度的時候，可以算出作用在支護上側壓力如下式所述：

因此，作用在支護上的側壓力為：

當側壓力可視為均布分布應力時，公式變為

三、襯砌結構建模計算分析

該建模選取的隧道型式為二維襯砌結構，其中隧道的埋深是3.8m，在上面覆蓋土體重度為=22kN/m3，土的壓力系數=1-sin=0.5，內摩擦角是31°；所用材料混凝土的重度=26kN/m3，彈性系數=2.87×107kN/m3，設計標準強度fck=2.68×106kN/m3，泊松比取為0.17；隧道采用的形狀為三心圓隧道，其中角等于角，半徑=6.3m，半徑=4.8m，都是60°。

在建模之后，我們對結構依次施加地基彈簧、豎直荷載及側向力梯形分布荷載，而后對荷載進行了荷載組合。

四、結構仿真計算結果規律分析

經過分析計算，得到隧道襯砌在豎向荷載、自重荷載、水平荷載、組合荷載下襯砌的位移、應力和應變分布。

（一）結構位移規律分析

查看結果，組合荷載下，該工程隧道襯砌在豎向方向上的最大位移發生在隧道拱頂的地方，最大位移是向下的43.56mm；水平方向上的最大位移發生在隧道側壁的地方，最大位移是13.27mm；隧道底部發生了隆起變形，最大位移是向上的5.65mm。

（二）內力規律分析

在組合荷載下，該工程隧道襯砌結構在Y方向的彎矩在襯砌結構側壁處達到了最大值，最大絕對值彎矩為421.67kN，襯砌結構底部最大絕對值彎矩為363.217kN。