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摘要:以某穿越較差地質條件下的山嶺隧道為研究對象，對其現有襯砌設計方案進行優化研究，依據隧道設計規范中推薦的荷載結構法，針對仰拱及仰拱隅角半徑設計了三種優化方案。基于Midas/GTSNX軟件對比分析了原方案以及三種優化方案下襯砌的軸力、彎矩及剪力的分布圖，并對襯砌安全性進行分析，研究結果表明方案三對提高襯砌的整體安全性比較顯著。

關鍵詞:襯砌結構;荷載結構法;方案優化;仰拱半徑;仰拱隅角半徑

隧道的安全性及穩定性至關重要，一旦隧道出現安全性問題，將對社會造成重大影響［1－3］。作為隧道的主體結構，隧道二次襯砌的穩定性將直接影響隧道結構的使用功能，針對隧道襯砌的受力分析及優化設計研究，相關學者已有較多的研究［4－6］。以某穿越較差地質條件下的山嶺隧道為研究對象，對其現有襯砌設計方案進行優化研究，依據隧道設計規范中推薦的荷載結構法，針對仰拱及仰拱隅角半徑設計了三種優化方案。基于Midas/GTSNX軟件對比分析了原方案以及三種優化方案下襯砌的軸力、彎矩及剪力的分布圖，并對襯砌安全性進行分析，研究得出適用此隧道的最佳襯砌斷面設計方案。

1襯砌斷面方案

某雙車道公路隧道穿越山嶺，山體圍巖等級為Ⅳ級，單向雙洞，為分離式隧道。選取某樁號處分析隧道斷面襯砌的受力情況，該樁號處隧道埋深25m，圍巖重度γ=22kN/m3，用于后文荷載結構法中圍巖松散壓力的計算。襯砌斷面原方案及優化方案如圖1所示，其中Ｒy表示仰拱半徑，Ｒyc表示仰拱隅角半徑。為了改善襯砌的整體受力情況，對隧道襯砌斷面參數進行優化，優化方案相比原方案均設置了仰拱，并調整了仰拱及仰拱隅角參數，斷面方案具體參數如表1所示。

2隧道模型及參數

基于Midas/GTSNX軟件，采用荷載－結構法建立隧道模型，根據《公路隧道設計細則》［7］(JTG/TD70—2010)中單洞隧道圍巖松散壓力計算結構所受荷載，采用彈性模型，采用梁單元來模擬，設置材料類型為各項同性，受力結構采用非線性分析，數值計算模型如圖2所示。

3數值模擬結果分析

3．1軸力對比分析

通過數值模擬計算，導出軸力如圖3所示。從圖3可以看出，原方案下，由于未設置仰拱，襯砌最大軸力位置出現在墻腳部位，最大值為－1．086×103kN，受壓;相比設置仰拱的方案一、方案二、方案三，襯砌最大軸力位置出現在仰拱部位，可知仰拱的設置能夠較好地改善襯砌整體的受力。隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大，仰拱處最大軸力值分別為－1．173×103kN、－1．209×103kN、－1．24×103kN，最大軸力值不斷增大，分析認為混凝土結構的抗壓強度較高，仰拱軸力值的增大充分發揮了襯砌抗壓性能。

3．2彎矩對比分析

繪制不同隧道襯砌斷面方案的襯砌彎矩如圖4所示。從圖4中可以看出，襯砌彎矩中，原方案的最大正彎矩為4．201×102kN·m，位于襯砌底板中心部位;最大負彎矩為－7．246×102kN·m，位于襯砌墻腳部位，相比設置仰拱的方案，最大正彎矩分布在仰拱部位，最大負彎矩分布在仰拱隅角處。設置仰拱的方案一相比原方案襯砌出現了較大的降低，正彎矩值減小至2．535×102kN·m，最大負彎矩值減小為－3．553×102kN·m。優化方案二、方案三相比方案一，隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大，襯砌的正、負彎矩值分別減小至2．519×102、－3．193×102和2．457×102、－2．874×102kN·m，但減小幅度有所降低。

3．3剪力對比分析

繪制不同隧道襯砌斷面方案的襯砌剪力如圖5所示。從圖5中可以看出，原方案中，襯砌剪力最大值位于底板的靠近墻腳位置處，最大剪力值為8．113×102kN，其次是墻腳部位;相比設置仰拱的方案，襯砌剪力最大值位于仰拱隅角處，其次是墻腳部位。分析發現方案一相比原方案，襯砌剪力最大值同樣出現了較大幅度的降低，減小至3．385×102kN，同樣可知，相比無仰拱的襯砌整體受力情況，設有仰拱的隧道襯砌有了大幅度改善。比較方案一、方案二、方案三可以發現，隨著仰拱及仰拱隅角半徑的增大，襯砌剪力最大值在不斷減小至3．035×102kN、2．774×102kN。

3．4襯砌安全性分析

根據《公路隧道設計細則》［7］(JTG/TD70—2010)，計算出現彎矩、剪力最大值的襯砌仰拱隅角及墻腳單元處的偏心距e0和安全系數K，結算結果如表3所示。通過對比可以清楚地看到，原方案未設置仰拱時，墻腳單元的偏心距e0為0．124，設置仰拱后墻腳偏心距發生了較大幅度的減小;未設置仰拱時墻腳單元的安全系數K僅為1．68，設置仰拱后墻腳安全系數升高至1．89，同樣出現了大幅度提高。對比分析方案一、方案二襯砌墻腳單元及仰拱隅角單元的偏心距e0分別減小了0．002及0．005，而方案三相比方案二襯砌墻腳單元及仰拱隅角單元的偏心距e0分別減小了0．025及0．03。相比安全系數K，對比方案一、方案二、方案三墻腳單元的安全系數不斷提高，但提高幅度較小;而對于仰拱隅角單元，方案三相比方案一、方案二，偏心距e0和安全系數K均分別出現了顯著的減小與提高，可以認為方案三襯砌整體安全性最高。

4結語

為了研究隧道襯砌不同設計方案的受力情況，對某隧道襯砌方案進行優化設計，基于荷載結構法對比分析了三種優化方案下襯砌的軸力、彎矩及剪力分布情況，得到以下主要結論:(1)相比設置仰拱的方案，襯砌最大軸力位置出現在仰拱部位，且隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大，仰拱處軸力最大值不斷增大，因混凝土結構的抗壓強度較高，仰拱軸力值的增大充分發揮了襯砌抗壓性能。(2)對于彎矩及剪力，相比原設計方案，優化方案襯砌的彎矩最大值及剪力最大值均出現了大幅度減小，且隨著仰拱及仰拱隅角部位半徑的增大不斷減小。(3)設置仰拱后墻腳偏心距發生了較大幅度的減小，墻腳單元的安全系數K出現了大幅度提高;三個優化方案之間對比發現，方案三對墻腳單元及仰拱隅角單元的偏心距e0有了大幅度減小，仰拱隅角單元安全性系數K大幅提高，可以認為方案三的襯砌結構整體安全性最高。

作者:谷莉薇 單位:山西省交通開發投資集團有限公司