PDF《王华公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性影响》

同时 ,当厚度严重不足时 ,隧道衬砌甚至 会发生断裂、 塌落等灾难性后果[ 7-8] ,因此, 针对隧道 衬砌厚度不足的情况进行安全性影响评价具有很重 要的现实意义.目前, 隧道衬砌厚度不足对结构稳 定性影响的相关研究很多, 但是没有系统和全面的 研究衬砌厚度不足这类病害对结构安全性的影响 . 本文根据隧道衬砌不同部位出现不同程度、不同宽 度范围的厚度不足病害情况, 建立相应的计算模型 , 计算衬砌截面安全系数, 分析和对比各种情况下厚 度不足对隧道安全性的影响 [ 9-10] . 本文依托工程为某公路隧道, 其位于甘肃省兰 州市南郊 ,甘川公路与马御山主山脊向西北延伸的 相交处,全长

1 560 m , 为二级公路隧道 ,进出口洞 门均采用翼墙型式 , 洞身衬砌采用三心圆曲墙式 . 隧道为双向两车道, 隧道内行车道净宽为

9 m +

2 * 0.

75 m ,净高为

5 m , 纵坡为由南向北

2 .

8 %的 单坡 .隧道于

1986 年10 月开工建设 , 于1989 年6月建成 .在隧道的建设过程中, 隧道衬砌存在着 混凝土喷射厚度不足的情况, 在隧道使用过程中, 衬 砌表面存在着混凝土剥落 、 剥离和析出的现象 ,同时 还有异形( 衬砌面的内凹 、 外凸) 等现象的存在 .

1 荷载结构法

1 .

1 设计原理 本文计算分析采用荷载结构法 .荷载结构法的 设计原理认为, 隧道开挖后地层的作用主要是对衬 砌结构产生荷载 ,衬砌结构应能安全可靠地承受地 层压力等荷载的作用 .计算时先按地层分类法或由 实用公式确定地层压力, 然后按弹性地基上结构物 的计算方法计算衬砌的内力, 并进行结构截面设计 .

1 .

2 计算原理

1 .

2 .

1 基本未知量与基本方程 本文取衬砌结构结点的位移为基本未知量, 由 最小势能原理或变分原理可得系统整体求解时的平 衡方程为 Kδ=P ( 1) δ=( δ

1 , δ

2 , … ,δ m) T P =( P1 , P2 , … , Pm) T 式中: K 为衬砌结构的整体刚度矩阵 ,为m阶方阵, m 为体系结点自由度的总个数;

δ 为衬砌结构结点 位移组成的列向量 ;

P 为衬砌结构结点荷载组成的 列向量 . 用e表示衬砌结构的某个单元, 则矩阵 P 、K 和δ可由单元的荷载矩阵Pe 、 单元的刚度矩阵 Ke 和单 元的位移向量矩阵 δ e 组合而成 ,故在采用有限元方 法进行分析时 , 须先划分单元 , 建立单元刚度矩阵 Ke 和单元荷载矩阵 Pe . 隧道承重结构轴线的形状为弧形时, 需用折线 单元模拟曲线.划分单元时 ,只需确定杆件单元的 长度.杆件厚度 h 即为承重结构的厚度 , 杆件宽度 l 取为

1 m ,相应的杆件横截面面积为 A =hlm2 抗弯惯性矩为 I =

1 12 lh

3 m

4 弹性模量 E( kN ・m -2 ) 取为混凝土的弹性模量.

1 .

2 .

2 单元刚度矩阵的计算 设梁单元在局部坐标系下的结点位移为 δ ′=( ui , vi ,θ i , uj ,vj ,θ j ) T 对应的结点力为 f =( X i ,Y i ,Mi , X j ,Y j , Mj ) T 则有 f =keδ ′ ( 2) ke = E A l

0 0 - E A l

0 0

0 12EI l

3 6E I l

2 0 - 12E I l

3 6E I l

2 0 6EI l

2 4E I l

0 - 6E I l

2 2E I l - E A l

0 0 E A l

0 0

0 - 12EI l

3 - 6E I l

2 0 12E I l

3 - 6E I l

2 0 6EI l

2 2E I l

0 - 6E I l

2 4E I l ( 3) 式中: ke 为梁单元在局部坐标系下的刚度矩阵 . 对于整体结构而言 ,各单元采用的局部坐标系 均不相同,故在建立整体矩阵时, 需按式( 4) 将局部 坐标系建立的单元刚度矩阵 ke 转换成结构整体坐