浅埋偏压隧道支护结构应力分析

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本文依托重庆在建某铁路隧道工程，通过模拟隧道直接开挖以及采用回填土加固措施后模拟隧道开挖和支护的受力特性，比较分析支护布局的应力，并结合现场监控量测数据，找到隧道衬砌开裂的理由：是由于偏压隧道开挖后应力不平匀释放，导致隧道受力极不平衡，从而引起隧道衬砌开裂。

浅埋偏压隧道应力数值模拟

随着我国交通根基设施创办的快速进展，在实际工程中大量涌现处浅埋偏压隧道，这在无形之中增加了隧道的施工难度，严重影响了工程施工安好，制约着工程施工进度，在对待浅埋偏压隧道时，如何切实判断围岩破坏机理是隧道施工过程中以及隧道运营期间布局安好的关键问题，假设处理得不好，那么很轻易引起隧道产生塌方、滑坡、冒顶，甚至在隧道施工过程中引起隧道衬砌开裂等严重病害。本文通过数值模拟与现场实测对浅埋偏压隧道的衬砌应力举行了分析探讨。

1数值模拟

本文采用ANSYS有限元软件对隧道开挖过程举行仿真模拟，隧道模型尺寸按照1：1的比例在所给的隧道设计资料里面选取，选取里程D1K27+515的断面来举行二维有限元数值分析。采用自底向上方法生成模型，有限元模型采用映射网格划分的方法共划分了4540个单元，所划分的单元全部为四边形单元，有利于计算。本次主要针对直接开挖隧道以及在山体外侧举行人工回填之后再举行隧道开挖两种工况举行分析。

图1带荷载和边界条件的有限元模型图图2回填后带荷载和边界条件的有限元模型图

2数值模拟支护布局应力分析

开挖过程中各关键部位概括应力值见表1、表2。

由表1、表2知，在自重下隧道初支处的第一、第三主应力都是受压的；隧道开挖后，由于受隧道开挖后应力释放和偏压的影响，在隧道初支处的第一、第三主应力变化较大，片面直接变为受拉，但最大的拉应力未超过混凝土的抗拉强度；隧道开挖后，仰拱和拱顶根本上会变成受拉；回填后，增加了隧道上方的岩体的重量，压应力和拉应力都相应增大；最大的第一、第三主应力发生在右拱脚邻近。

3现场实测支护布局应力分析

本文仅对隧道二衬混凝土外观应力监测结果举行分析。

图3D1K27+515断面二衬应力累积变化量与时间比较图（Mpa）

隧道二衬混凝土外观应力在监控量测范围（里程D1K27+495到D1K27+515）所在监控的时间内，左拱脚邻近是受压的，说明这段隧道二衬左拱脚邻近开裂可能已经中断，并且根据洞口段在已经开缝处贴上的混凝土试块没有新的裂缝展现，也能说明隧道洞口二衬左拱脚邻近开裂已经中断。

4结论

根据ANSYS模拟结果与实测结果比较，笔者认为隧道产生裂缝的理由是由于在隧道开挖时，在洞口段浅埋的处境下，围岩本身较差、节理裂隙发育、地表水较易侵入岩体等，因此在地质条件较不利的处境下，可能会造成偏压隧道围岩应力不平匀释放，导致隧道开挖后，隧道右拱腰邻近朝向隧道内的力对比大，而隧道的二衬及初支内有工字钢拱架、钢筋砼等使隧道传力效果较好，使隧道右拱腰邻近朝向隧道内的力经过隧道的初支、衬砌等传递到隧道左侧，造成隧道左拱脚邻近的受力朝向隧道外，导致隧道左拱脚邻近展现较大的拉力，而隧道混凝土的抗拉强度比混凝土的抗压强度小得多，当隧道左拱脚邻近的拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，就会在混凝土上急速产生裂缝，且裂缝宽度在隧道二衬上是由里到外逐步增大的，这与隧道实际的开缝处境一致；同理，隧道右