不同埋深及偏压角度条件下的隧道力学特性分析

2019年第18期（6月 下）

不同埋深及偏压角度条件下的隧道力学

特性分析

郭一凡

（河北冀通路桥建设有限公司，河北 石家庄 050000）

摘要：针对某隧道工程实际情况，采用有限元的方法，在明确偏压系数、抗剪系数和安全系数三个评价指标的基础上，对偏压角度和安全系数与偏压系数之间的关系，以及隧道埋深和安全系数与偏压系数之间的关系进行深入分析，明确隧道各结构力学特征和偏压角度与埋深实际关系，为保证隧道安全稳定提供可靠参考依据。关键词：隧道埋深；偏压角度；隧道力学特性中图分类号：U455.4

文献标识码：B

0 引言

如今，山区公路规模和数量都在不断增加，隧道作为山区公路重要组成部分，其洞口经常处于浅埋偏压等特殊段，使结构受力变得十分复杂，在施工中若有不慎，会产生塌方等安全事故。因此，需要在明确实际埋深和偏压条件的基础上，对隧道力学特性进行分析。

3 评价指标

3.1 偏压系数

为对各偏压情况下隧道洞室是否稳定和衬砌受力进行描述，需充分考虑偏压系数。如果偏压系数发生变化是因为偏压角度改变引起，则偏压系数指的是两侧完全对称的特征点的应力差及平坡上各点应力比。对于偏差系数，可采用以下公式进行计算：

1 工程概况

某隧道工程所在地区的地貌为中低山地貌，由构造剥蚀作用而成，沿线范围内的地形有很大起伏，山高坡陡，高程在740.0～826.0m范围内。进口处于山坡，洞门位置山坡的倾角在35～40°范围内，轴线和等高线之间的夹角在90～130°范围内；出口位置的坡角在35～40°范围内，轴线和等高线之间的夹角在60～107°范围内，右侧偏压相对较大。经综合评定，本隧道围岩等级为V级。

（1）

如果偏压系数变化主要因为埋深改变造成，则单洞偏压系数指的是将隧道的中线作为对称轴而保持对称的两个特征点实际应力之比，还可表示为：

2 有限元分析模型

数值分析利用MIDAS模型，洞径与洞高分别取11.4m、12m，具体物理力学参数如表1所示。将计算范围确定为水平方向上3～4倍洞径，竖直方向上从围岩的上边界到地表，下部到3～4倍洞径为止，左、右边界均受到水平位移的约束作用，模型顶、底部分别为自由面和竖向位移约束作用[1]。对于隧道围岩的二次衬砌结构，其容重为25kN/m3、弹性模量为29.5GPa、泊松比为0.2、厚度为50cm、轴心抗压和抗拉极限强度分别为22.5MPa、2.2MPa。

表1 物理力学参数

围岩类别V级

容重（kN/m）

20

3

（2）

式（2）中：σ左为左侧特征点对应的围岩应力；σ右为右侧特征点对应的围岩应力；σ0为平坡特征点对应的围岩应力；N左为左侧特征点对应的轴力；N右为右侧特征点对应的轴力；N0为平坡特征点对应的轴力[2]。3.2 抗剪系数

表示为

，采用以下公式进行验算，将隧洞周围各特

征点对应的安全系数不小于1.2作为综合判别条件。

弹性模量（GPa）0.5

泊松比0.45

黏聚力（MPa）0.03

内摩擦角/°

（3）

式（3）中：

为抗剪系数；为计算摩擦角；c为黏聚

力；σ1为第一主应力；σ3为第三主应力[3]。

18

收稿日期：2019-03-01

作者简介：郭一凡（1991—），男，助理工程师，主要研究方向为隧道力学。

943.3 安全系数

当衬砌受到M的弯矩和N的轴力后，其截面偏心距可表示为M/N。根据相关技术规范，如果M/N不超过0.2h，则要按照抗压强度实施安全验算；如果M/N超过0.2h，则要按照抗拉强度实施安全验算。对于安全系数的值，可采用以下公式通过计算确定：

（4）

式（4）中：

为安全系数；M为弯矩；N为轴力；ψ为

纵向上构件的弯曲系数，取1.0；

为抗压极限强度；R为

抗拉极限强度；b为截面宽度，一般取1.0m；h为截面的高度；α为轴向力的偏心影响系数，一般取1.0。

如果承载能力主要受抗压强度控制，则计算确定的安全系数必须在2.4以上；而如果承载能力主要受抗拉强度控制，则计算确定的安全系数必须在3.6以上。

4 结果分析

4.1 偏压角度

根据以上分析，将隧道的埋深取8m，以原设计与工程类比为依据，确定各偏压角度对应的计算工况，具体如表2所示。通过计算可以确定安全系数和偏压角度之间的关系，以及偏压系数和偏压角度之间的关系。

表2 各偏压角度对应的计算工况

围岩级别

结构类型埋深/m偏压条件/°主要影响因素

V

单洞

8

0,15,30,45,60

偏压

（1）如果偏压角度等于0，则围岩的应力呈对称形式分布；伴随偏压角度不断增大，埋深较浅的围岩，其最大主应力不断减小，而埋深较大的围岩，其最大主应力不断增大。如果偏压角度在45°以内，则都属于压应力；如果偏压角度超过45°，则埋深较浅的隧道段围岩和埋深较大的隧道段边墙上部围岩的应力将从压应力变成拉应力，同时拉应力和偏压角度正相关。

（2）围岩中的应力有明显的不对称性，当偏压角度有所增大时，这一不对称性将继续增加，在偏压角度大于30°的情况下，无论是应力还是偏压系数都会明显变化，将偏压系数提高至1.8以上，加剧偏压作用；在偏压角度大于45°的情况下，应力和它的偏压系数则能提高到2.91，甚至更大，进而产生极为严重的围岩偏压。

（3）当偏压角度越来越高时，隧道围岩上不用特征点都将进入偏不安全的状态，即安全系数开始降低，最终使整个洞室都不安全和稳定。在偏压角度小于15°的情况下，由于大于

的数值，所以隧道的围岩仍可以保持相对

稳定。在偏压角度近似等于30°的情况下，处在深层的围

交通世界TRANSPOWORLD岩，其安全系数在1.18左右，由于它小于的数值，所以说明这一步隧道围岩已经处在相对不稳定的实际状态。伴随偏压角度不断增加，埋深较浅段拱腰和埋深较大段边墙的安全系数都比的值小，说明围岩处于很不稳定的实际状态。这和之前反映的情况及规律基本一致。

（4）每个特征点对应的偏心距都伴随偏压角度的不断增加而明显变大，在偏压角度小于45°的情况下，偏心距往往在0.2h以内，可将其称为下偏心受压状态。而偏压角度逐步增大时，偏心距也开始变大，浅层侧墙的根脚处及拱顶都会从原始的小偏心受压进入到大偏心受拉状态，此时隧道围

岩衬砌结构将进入不安全状态。对特征点而言，其安全系数均和偏压角度成反比，但安全系数却可以达到规定。4.2 隧道埋深

根据以上分析，将偏压角度取30°。以原设计与工程类比为依据，确定各埋深条件对应的计算工况，具体如表3所示。通过计算可以确定安全系数和隧道埋深之间的关系与偏压系数和隧道埋深之间的关系。

表3 各隧道埋深对应的计算工况

围岩级别

结构类型埋深/m偏压条件/°

主要影响因素

V

单洞

8,10,15,20,30,40

30

埋深

（1）伴随埋深不断增加，每个特征点对应的最大主应力都明显增大。埋深由8m变为40m时，隧道埋深增大近5倍，同时每个特征点对应的主应力实际增加均比5倍小，这说明伴随埋深不断增加，位于隧道顶部的围岩，其产生了明显的压力拱效应。围岩应力伴随埋深不断增大表现出不对称的减弱，当埋深超过20m时，每个特征点对应的偏压系数与1.0十分接近，也就是说当隧道拱顶埋深不断增大时，偏压特征明显减弱。

（2）在隧道埋深等于8m时，围岩上每个特征点对应的安全系数都在埋深较大段的侧墙脚部位达到最小，为0.95，比的值小。围岩的安全系数伴随埋深不断增加表现出明显的减小趋势，对抗剪安全不利的区域从墙脚部位不断向上延伸。如果隧道埋深为30m以上，则除了两侧的拱脚至拱顶，其它所有特征点的安全系数都比

的值小。

5 结论

（1）伴随偏压角度不断增大，衬砌轴力分布具有的不对称性明显增加。同时，轴力的最大处在隧道的周边沿顺时针发生移动。

（2）伴随埋深不断增加，每个特征点对应的最大主应力都明显增大，同时，轴力的最大处在隧道的周边沿逆时针发生移动。围岩的应力，伴随埋深不断增加，其具有的不对称特性明显减弱，如果埋深超过20m，则每个特征点对应的偏压系数与1.0相接近。

（3）伴随隧道埋深不断增加，与之相对应位置的弯矩和轴力都明显增加，每个特征点对应的偏心距增加，安全系数不断减小。

（下转第123页）

95交通世界TRANSPOWORLD规定的必要前提，因此施工单位管理人员应采取必要的措施保证工程施工材料质量符合相应质量标准要求。对工程材料进行质量管理的措施主要包括以下几方面[4]：

第一，合理编制材料预算、采购计划，优选材料供应单位，严格控制材料的供应渠道，从源头上保证材料质量。

第二，科学确定材料材料采购方案。公路桥梁工程材料采购方案主要采用以上方法进行确定。

首先，计算待采购材料采购和存储费用：

进行实施，只有制定科学的施工方案、选择合理的施工并按此进行实施才能最大程度保证工程施工质量满足设计要求。通常科学进行施工方法的选择主要包括：做好施工前准备工作，邀请经验丰富的专家学者对所制定的施工方案、技术交底及施工组织设计等技术文件进行论证，分析其可行性和科学性。同时，在施工过程中对施工方案、技术交底的符合性进行检查，进而促使其按照既定的标准进行施工，从而保证工程施工质量[5]。3.8 加强环境因素管理

公路桥梁施工生产受外界自然因素影响较大，各企业管理人员应充分认识环境管理的重要性，积极对影响工程施工质量的外部环境因素进行监督控制，实时对工程所在地的气候及自然状况进行监督，减少因环境因素而造成工程质量问题的发生。

F＝Q/2×P×A＋S/Q×C （1）

式中：F为采购和存储费用之和；A为存储费率；Q为每次采购量；P为采购单价；S为总采购量；C为每次采购费。

其次，计算最优采购量：

（2）

式中：Q0为最优采购批量。

第三，加强现场材料质量验收工作，对各类材料的规格、品种、型号、理化性能及合格文件进行检查，严禁不合格材料进入施工现场。

第四，按照材料的使用部位、性能及存储要求不同，采用ABC分类库存法做好材料的储存保管工作，确保材料质量满足施工需求。

第五，加强材料使用管理，通过采用“资源有限、工期最短”的材料使用管理方法在保证材料施工工艺及操作方法的前提下降低工程成本，提高工程施工质量。3.6 合理进行施工机械管理

施工机械的科学管理不仅能够提高公路桥梁工程施工进度，同时能够提高工程施工质量，在进行施工机械管理的过程中，首先应根据工程的实际情况进行施工机械的选型，确保其性能、效率能够满足工程实施需求。其次，应根据待施工部位的工程量合理进行施工机械数量及型号的安排，保证施工机械与施工生产任务的符合性。最后，应建立施工机械维修保养台账，做好施工机械的维修保养工作，使其能够满足施工生产任务的需求。3.7 科学选择施工方法

科学的施工方法能够保证公路工程按照既定的标准

4 结语

本文首先对公路桥梁施工质量管理与控制的概念及重要性进行了阐述，为后文的叙述奠定了理论基础。然后，对公路桥梁施工质量管理与控制过程中存在的问题与不足进行了逐一分析。最后，对公路桥梁施工质量管理与控制过程中存在的问题与不足制定了相应的应对措施。

参考文献：

[1] 陈明山. 浅析公路工程项目施工质量管理[J]. 价值工程，

2011（21）：33-34.

[2] 章为. 浅谈公路工程施工的质量管理[J]. 中国水运（下半

月），2008（12）：15-18.

[3] 苗建伟. 公路工程施工质量管理策略分析[J]. 科技传播，

2010（12）：15-18.

[4] 李香婷. 关于公路工程施工管理探析[J]. 民营科技，2011

（8）：31-33.

[5] 黄铭，徐高辉. 公路工程的施工质量管理[J]. 中国新技术

新产品，2009（16）：20-23.

（编辑：姬瓅瓅）

（上接第95页）

[2] 顾永贵. 降雨入渗对膨胀土隧道力学特性影响的数值分

参考文献：

[1] 宋青会，高乌兰. 考虑地下水影响的软岩隧道力学特性

及施工对策研究[J]. 公路交通科技（应用技术版），2018（8）：165-166.

析[J]. 铁道勘察，2018（2）：52-58.

[3] 王振科，吴亚平. 不同开挖工法对大断面隧道力学特性

的影响分析[J]. 四川建材，2016（7）：70-72，75.

（编辑：姬瓅瓅）

123