【衬砌背后空洞对黄土地区隧道结构影响分析】隧道衬砌空洞验证方法
摘 要：本文通过对黄土隧道现场调查和资料收集，通过现场测试，得到隧道衬砌背后空洞的大小、位置及混凝土衬砌的强度等参数，采用ANSYS 软件建立数学模型对隧道衬砌背后有空洞部位进行模拟分析，通过有无空洞的对比，研究空洞大小及所处位置对隧道衬砌受力及变形的影响程度，找出空洞的临界大小及最不利位置。
关键词：黄土隧道；衬砌；空洞；有限元；ANSYS
中图分类号：
1、 背景
我国已经在黄土土体中建成了多条隧洞（道），与岩体相比，黄土体强度低，变形大，自承能力小，工程性质差，受水的影响十分强烈，一旦被水浸泡，达到饱和状态，其强度会明显降低，工程性质将发生很大变化。因此，在黄土地层中开挖坑洞，容易出现坍塌，尤其是一旦渗漏水，围岩强度会大幅度降低，严重时，完全失去自稳能力。衬砌裂损是隧道病害中常见的问题, 也是严重威胁结构安全的一个重要因素，其中衬砌裂损造成其耐久性和安全性的降低尤为严重。通过对兰州铁路局范围内部分黄土隧道现场调查和资料收集，通过现场测试，得到隧道衬砌背后空洞的大小、位置及混凝土衬砌的强度等参数；采用ANSYS 软件建立数学模型对隧道衬砌背后有空洞部位进行模拟分析，通过有无空洞的对比，研究空洞大小及所处位置对隧道衬砌受力及变形的影响程度，找出空洞的临界大小及最不利位置。
2、 数值分析模型建立
黄土土体是复杂的多相介质，其强度与金属与其他固体材料不同。对土体的研究只能建立与实践和试验的基础之上。土体的强度理论有多种，其中最常用的是摩尔－库伦理论[1]。
采用三维立体弹塑性分析模型，混凝土衬砌采用solid65混凝土八节点等参单元模拟，衬砌厚度取0.4米,围岩采用solid45单元模拟，隧道截面尺寸按单线铁路隧道考虑，采用曲墙带仰拱隧道作为计算截面形式，根据圣维南原理，横向取周围土体的尺寸为隧道尺寸的5～6倍，上边界取自地表, 为自由边, 另3边为固定边, 其中, 左右边界水平位移为零, 下边界竖向位移为零，前后边界轴向位移为零。考虑混凝土衬砌及围岩的非线性，采用Druger-prager屈服准则。衬砌背后空洞以单元生死模拟。具体材料参数见下表[2][3]。
表1 围岩及衬砌力学性质参数
图1 三维计算示意图
3、 计算结果及分析
（1） 衬砌拱顶背后空洞对衬砌受力及位移影响[4]：
应力趋向于增加，而位移有所减少。当空洞沿隧道衬砌径向尺寸不变，随着空洞与衬砌纵向接触面的增加，衬砌应力趋于下降。当空洞沿隧道衬砌环向尺寸不变，随着空洞与衬砌之间径向尺寸的增加，衬砌竖向应力刚开始迅速增加而后应力逐渐减少，最后值还是增加的。 当空洞达到2.4m×1m×1m为变化趋势转折点。
图2衬砌拱顶背后空洞尺寸变化时第一主应变（拉应变）变化趋势
(2) 衬砌仰拱背后空洞
图3横轴2、3代表空洞尺寸变化，1为原始值。竖轴为应力及位移值，应力单位为MPa，位移单位为mm。图中系列1为空洞沿隧道衬砌径向尺寸不变，随着空洞与衬砌横向接触面的增加。图中系列2为空洞沿隧道衬砌环向尺寸不变，随着空洞与衬砌之间径向尺寸的增加。
图3衬砌曲墙中点背后空洞尺寸变化时衬砌横向位移变化趋势
4、 结论及展望
（1）顶背后空洞对衬砌受力及位移影响，应力趋向于增加，而位移有所减少。当空洞沿隧道衬砌径向尺寸不变，随着空洞与衬砌纵向接触面的增加，衬砌应力趋于下降。当空洞沿隧道衬砌环向尺寸不变，随着空洞与衬砌之间径向尺寸的增加，衬砌竖向应力刚开始迅速增加而后应力逐渐减少，最后值还是增加的, 当空洞达到2.4m×1m×1m为变化趋势转折点。
（2）墙中点背后空洞当空洞沿隧道衬砌径向尺寸不变，随着空洞与衬砌环向接触面的增加，衬砌应力、位移迅速增加而后变化趋缓。当空洞沿隧道衬砌环向尺寸不变，随着空洞与衬砌之间径向尺寸的增加，衬砌应力、位移刚开始变化缓慢而后逐渐增加。
（3）墙脚背后空洞当空洞沿隧道衬砌环向尺寸不变，随着空洞与衬砌之间径向尺寸的增加，衬砌应(下转第44页）力及位移刚开始迅速增加而后减少，终值接近于初始值。
（4）拱中部背后空洞当空洞沿隧道衬砌径向尺寸不变，随着空洞与衬砌环向接触面的增加，衬砌应力及位移刚开始增加而后逐渐减少，终值小于初始值，当空洞沿隧道衬砌环向尺寸不变，随着空洞与衬砌之间径向尺寸的增加，衬砌应力及位移变化不大。
黄土是一种十分复杂的介质材料，其物理、力学性质不仅取决于它的颗粒成分和岩土体结构，也与各层土体所处的应力状态(包括它的应力历史和应力路径)和应力水平密切相关。有限元法模拟施工中，对计算有重要影响的的因素，还是需进一步研究探索的问题。如：边界条件的选取等。混凝土衬砌的模拟参数及破坏准则的选取有待进一步优化。
参考文献
[1]潘昌实. 隧道力学数值方法[M]. 北京：中国铁道出版社.1995.
[2]郝文化.ANSYS7.0实例分析与应用[M]. 北京: 清华大学出版社,2004