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标准孔板流量计不足时平面模型与空间模型的内力对比分析

作者: 来源: 发布时间:2019-11-02 09:24:09

    [摘 要] 隧道衬砌一般作为平面问题进行计算,但在出现局部厚度不足时,空间模型能更好地反映隧道纵向上的受力不均匀。本文根据某隧道工程标准孔板流量计不足的实例,分别建立了平面及空间模型,对二衬的内力及安全系数进行了校核、对比。计算结果显示: 平面模型得出的衬砌轴力均大于空间模型,而弯矩均小于空间模型; 衬砌厚度不足处的安全系数满足要求,其值的大小并无明显规律。

    在隧道修建过程中,由于局部欠挖、台车安装偏位等,常常会出现二衬厚度不足等缺陷[1]。按照《公路工程质量检验评定标准》,二衬 90% 检测点的厚度应不小于设计厚度,且zui小厚度大于 1 /2 设计厚度,否则判定为不合格,应进行返工、加固和补强。不同于地上结构,对于隧道工程,返工拆除支护结构可能引起二次灾害; 另一方面,由于洞内有建筑限界的限制,加固补强的手段也十分有限。因此,对不符合标准要求,但未出现开裂,特别是建设期间的二衬如何处治,仍是一个困扰建设单位的问题。但在洞口段浅埋段,衬砌是按照此段zui大荷载进行结构安全校核设计的,因此如果浅埋段出现标准孔板流量计不足问题,完全可以根据实际埋深计算所得荷载进行验算校核[2]。
 
    对于隧道工程,一般都作为平面应变问题来求解衬砌结构的内力。但对于局部厚度不足的情况,纵向上内力不一致,平面问题的求解可能会和实际情况出现差别[3]。本文根据某隧道工程实例,针对洞口段拱顶局部厚度不足的情况,分别建立平面及空间计算模型,并对结果进行对比分析。

    1 工程概况
    1. 1 设计及地质概况
必威精装版app     某隧道为双洞分离式隧道,隧道净空( 宽 × 高)为10. 25m× 5.0m。隧道右洞设计桩号YK118 + 010 ~ YK122 + 120,长 4110m; 左洞设计桩号 ZK118 + 020 ~ ZK122 + 095,长 4075m; 隧道zui大埋深约 365m。

必威精装版app    在施工质量检测中,右洞进口段 YK118 + 020 断面初步认定为厚度不足。设计中 YK118 + 015 ~ + 050 段二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构,厚度为 55cm,隧道拱墙采用 C25防水混凝土,仰拱采用 C25 普通混凝土。根据设计文件及掌子面素描记录,YK118 + 015 ~ + 025 段洞身围岩为全风化 ~碎块状强风化花岗岩,裂隙发育,岩体极破碎,呈散体 ~ 碎裂状结构,为极软岩。围岩级别为 V 级。YK118 + 020 处埋深约为 7 ~ 10m。

    1. 2 无损检测结果
    为评判此段稳定性,对 YK118 + 020( ± 5m) 断面的二衬进行进一步检测。检测内容及方法包括: (1) 采用地质雷达,检测二衬厚度、可能的孔洞分布情况; (2) 采用隧道断面仪,检测二衬内轮廓; (3) 采用回弹仪,检测二衬混凝土回弹强度; (4) 观察测量二衬表面可能的裂隙分布及宽度等。结果显示:

    (1) 该段落二衬内轮廓与设计内轮廓相比存在一定程度的偏差,zui大侵入值位于 YK118 + 018 右边墙,为 5. 6cm,但未侵入建筑限界,可满足使用要求。
    (2) 隧道拱部、边墙位置均未发现裂缝,由混凝土回弹强度测试结果可知,所测区域二衬砼抗压强度符合设计要求。
    (3) 二衬厚度在拱顶、左拱肩、左拱腰、左边墙处存在厚度不足的情况,厚度zui薄处位于左拱肩,厚度为 46cm,与原设计 55cm 差值为 9cm。
    (4) 雷达无损检测未发现明显的二衬背后空洞、脱空及不密实现象,二衬布置有钢筋。

必威精装版app    根据以上分析可知,YK118 + 020( ± 5m) 断面二衬结构zui大质量问题在于二衬厚度不足,因此拟根据实测内轮廓形状及厚度结果以及原设计配筋情况,采用荷载结构法对二衬内力分析,并对配筋进行验算。

    2 荷载结构法计算模型
    2. 1 计算工况
    根据隧道设计文件,YK118 + 020( ± 5m) 段落位于进口Ⅴ级围岩浅埋段,采用 ZDK - 1 型复合支护,二次衬砌厚度为
55cm,配筋为每延米对称配筋单侧 525 ( 24. 54cm2 ) 。地形
基本无偏压,覆盖层较薄,为坡积粘土及残积粘性土。
因此,数值计算模型按浅埋无偏压隧道,取埋深为 10m,对 ZDK -1 型复合支护的二次衬砌进行计算,工况如表1 所示。

 

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    2. 2 计算模型
    二次衬砌采用结构荷载法进行计算,计算软件采用 MI- DAS GTS NX。二衬内轮廓采用检测报告中隧道激光断面仪检测结果,除拱顶衬砌厚度为 48. 5cm 外,其余部分厚度均为55cm; 平面模型中将衬砌结构简化为平面弹性梁单元,轴线采用二次衬砌中性轴位置; 空间模型中衬砌采用实体单元。围岩的约束采用只受压不受拉弹簧单元模拟,如图 1 ~ 图 2 所示。

 

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    2. 3 计算参数
    依据地质勘察报告及《公路隧道设计规范》选取围岩及二衬混凝土的相关参数值,如表 2 所示。围岩压力按松散压力计算,埋深为 10m,小于荷载等效高度,因此判定为Ⅴ级围岩超浅埋工况,按全土柱重确定荷载。考虑二次衬砌承担80% 的荷载。

 

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    3 计算结果及对比
    3. 1 内力计算结果
    平面模型计算断面的内力分布图见图 3。空间模型的环向应力计算结果见图 4。由于空间模型采用了空间实体单元,无法直接得出截面的内力,故取隧道衬砌厚度不足所在截面纵向 1m 宽长度提取内力。在模型计算完之后,添加平面以截取所要提取内力的截面,生成局部坐标系下的 x、y、z 轴的轴力和弯矩,即可以得出所需截面的内力。本文中提取内力的截面分别为拱顶、拱肩、拱腰、仰拱等 5 个部位,具体数值见表 4。

 

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3. 2 计算结果对比分析总结
必威精装版app 分别取平面模型及空间模型中拱顶( 厚度不足处) 、拱肩、拱 腰、仰拱、仰拱( 中) 等点的轴力、弯矩和位移进行对比,见表4。

 

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必威精装版app    根据所选取的计算截面内力进行对比,可以得到以下结论:

    (1) 平面模型计算所得的轴力比空间模型小,zui大差值出现在拱腰位置,相差 26% 。

    (2) 平面模型计算所得的弯矩比空间模型大,zui大差值也出现在拱腰位置,相差 59% 。可见在平面模型条件下,衬砌的计算偏心距较大,在抗裂验算时较为不利。但在本例中,所有截面偏心距均较小,满足裂缝验算要求。

    (3) 两种模型得出的安全系数没有一致的变化规律。在文中隧道拱顶厚度不足处,按照空间模型计算的安全系数大于平面模型,差值接近 10% ,仰拱部位两者差值达到16% 。

                                                                                               7.jpg

    4 结语
    本文针对隧道标准孔板流量计不足的情况,分别进行平面问题及空间问题建模求解,并对轴力、弯矩及安全系数进行了对比。相对而言,平面模型无法考虑隧道衬砌纵向之间的影响,空间计算模型较贴合实际。但在计算过程中,局部实体单元的应力会出现非物理振荡现象,故通过单元应力积分求得的截面内力可能和实际情况有一定误差,应在应用中予以注意。

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