基于非线性有限元法的隧道衬砌结构可靠性评估

作者:孙凡;王丽 刊名:港工技术 上传者:陈文鹤

【摘要】结合某隧道工程混凝土强度无损检测的实例,建立隧道衬砌结构的非线性有限元模型,分析隧道衬砌结构的抗力随时间变化的特性,评估隧道衬砌结构在承载能力和正常使用极限状态下的可靠性,并对隧道衬砌结构的使用寿命进行预测,可为隧道工程的决策提供参考依据。

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近年来随着国内城乡基础建设的蓬勃发展,已建和在建的地下隧道工程越来越多。我国现行隧道工程设计与施工规范已针对相关计算方法提出了一些简化条件和原则,鉴于地下隧道工程所处的环境条件比较复杂,隧道衬砌结构承载情况的分析和计算往往存在不确定性。项目建设单位往往会要求在保证安全的前提下充分挖掘隧道的承载能力,最大限度地发挥隧道工程的作用,而设计和施工质量等方面的瑕疵都可能降低隧道工程的安全可靠度。本研究结合某隧道工程实例,采用非线性有限元方法分析最不利截面上隧道衬砌结构的稳定性,并在此基础上进行隧道结构系统的可靠度分析,计算结果表明该方法具有较高的精度与可靠性。1工程概况本工程隧道总长约12.4km,其中暗挖段长约9.7km,明挖段长约1.7km,明渠和出口段长约1.0km。隧道顶部的埋深约40.060.0m,最大埋深约100m,低谷沟地隧道顶部的最小埋深约10.0m。隧道穿越片麻岩地层,岩层透水性很不均匀,工程区域内的地下水包括浅埋于砂砾石土层中的孔隙潜水和基岩裂隙水。隧道周围的岩层多属透水性很小的弱风化岩,压水试验结果显示基岩的单位吸水量很小。隧道全线处于地下水位以下,底面以上的最大水头高达65.0m,如不采取有效排水措施外水压力将很大。本工程主要包括门洞形、矩形等截面型式,门洞形隧道截面宽约5.7m、高约6.3m,其中边墙高3.4m,半圆形拱顶半径约2.9m;矩形隧道截面宽5.7m,高约5.65.7m。本研究针对门洞形隧道截面的衬砌结构进行有限元分析计算,隧道衬砌形式与厚度视围岩的坚固系数而定,其中模筑衬砌段的平均衬砌厚度0.55m,锚喷衬砌段的平均衬砌厚度0.27m,锚杆挂网喷混凝土衬砌段的平均衬砌厚度0.7m。2隧道衬砌结构的系统可靠性评估根据结构抗力随时间变化的可靠性分析方法和结构系统可靠性分析的方法,确定隧道衬砌混凝土承载能力极限状态和正常使用极限状态下的可靠指标,预测隧道结构衬砌使用寿命。2.1隧道衬砌结构的有限元模型采用MIDAS/GTS有限元程序建立隧道衬砌结构的数值模型,计算分析隧道不同断面上、不同厚度衬砌混凝土结构的位移、应力和弯矩变化,并通过结构可靠度计算,分析评估隧道衬砌结构的应变、内力和弯矩指标是否满足规范的要求。根据《建筑结构荷载规范》(GB500092012)中关于结构类型和施工方法的规定,充分考虑施工过程的变化,选取衬砌混凝土结构的设计荷载值,针对整体结构或构件可能出现的最不利荷载组合进行计算分析。隧道衬砌混凝土结构的主要计算荷载包括:结构自重、竖向及水平向山岩压力和围岩的弹性反力等。从有限元计算分析结果可知,门洞形隧道截面拱顶部位的位移变化比边墙部位更大,且随着平均衬砌厚度的增加,隧道的竖向位移减小,但在衬砌厚度变化较大的部位应变仍然较大。弯矩计算结果显示,在边墙与底板连接部位,衬砌结构的弯矩变化最大,这是由底板的约束作用造成的,衬砌厚度变化对弯矩值的影响不大。在隧道边墙上靠近底板和拱顶的部位剪应力较大,且应力变化明显。2.2确定最不利的结构断面为全面评估整个隧道的安全性和系统可靠度,对11.38km的隧道展开现场检测,在现场检测中发现隧道衬砌结构存在拉裂型纵向裂缝和剪压型环向裂缝,虽然目前裂缝尚处于稳定状态,但在隧道使用期间诸多环境因素的共同作用下,随着时间推移和混凝土材料的老化这些裂缝会逐渐增多、扩展并长期作用,从而对隧道衬砌结构的安全造成潜在威胁,必须予以高度重视。通过对隧道所在位置的工程地质条件、设计资料、混凝土施工状况和隧道衬砌混凝土检测数据的分析,综合以往进行的隧道监测评估和修补加固情况,确定了20个安全校

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