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            隧道衬砌结构的安全评估

            文档作者: 胡世金 王斌        文档来源: 北京市政路桥管理养护集团有限公司
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            更新时间: 2021年01月08日
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            轨道交通与地下工程器 Track Tra仟ic&Underground Engineering 隧道衬砌结构的安全评估 胡世金.王斌 (北京市政路桥管理养护集团有限公司,北京102308) 摘要:为保证隧道衬砌实际套拱结构的安全,采用MIDAS/civil有限元分析软件和桥梁博士建立套拱结构模型并进行 了计算,通过分析和实践检验得出实际套拱结构是安全适用的。分析了使用过程中套拱结构存在的风险,并提出了相应 的防范措施。 关键词:隧道衬砌;套拱结构;安全评估;建模计算;风险;防范 中图分类号:U 455.91 文献标志码:B 文章编号:1009—7767(2014)06—0071一04 Security Assessment of Tu肌el LiIling Structure Hu Shijin,Wang Bin 东方红隧道位于北京市门头沟区109国道K46+ 487处,为设计行车速度30 k汕的3级公路隧道,单 洞双向行车。隧道全长526 m,宽8.03 m,高5.85 m,纵 坡约为2.3%。隧道建成后经过近50年的使用,安全状 况已是1A。目前隧道无衬砌段和洞口局部有落石可 能,存在危及行人、行车安全的隐患:衬砌裂缝及脱空 病害对衬砌结构安全有一定影响,应尽早采取处置措 施;隧道浸渗情况普遍,可能加剧衬砌裂缝的开展。 为保证隧道的正常安全运营,在2013年5月至 12月对东方红隧道进行了加固大修,主要是全隧道增 设1道厚度不小于20 cm的钢筋混凝土衬砌套拱,采 用12 m长的模板台车施工。衬砌套拱结构设计为:衬 砌套拱内半径4.08 m,圆心角为139057’34”,圆心距路 面高1.56m,两侧直墙高3.01 m;衬砌采用C25防渗混 凝土,最小厚度15 cm,内侧外层配置HRB335∥16@ 200 mm环型钢筋、内层配置HRB335矽16@200 mm水 平钢筋.钢筋混凝土?;げ愫穸?0 mm。 实际施工中发现:旧隧道两侧直墙大部分为浆砌 块石.线形较差且凹凸不平;旧隧道拱圈采用小模板 衬砌,因拱圈弧度不均,同一横断面半径不同,使套拱 的混凝土厚度不均。上述问题导致该次施工中两侧直 墙最大钢筋?;げ愦锏?0 cm,实际套拱拱顶混凝土 最大浇筑厚度35 cm、拱脚混凝土最小厚度15 cm。 ①引自中华人民共和国交通运输部,公路桥梁和隧道工程施工安全风 险评估指南(试行)。 为预防公路施工重特大生产安全事故发生,提高 工程施工安全风险控制能力①.特对衬砌套拱结构进 行安全评估。 l建立模型 考虑到实际施工与设计意图出现了一定偏差,为 验证实际套拱结构是否安全,采用MIDAS,civil有限元 软件对存在问题的衬砌段进行模拟分析,为后续施工 提供依据。 1.1操作环境 采用MIDAS/civil有限元分析软件.取12 m混凝 土衬砌段建立有限元模型,衬砌混凝土全部采用实体 单元模拟。 1.2边界处理 约束底部衬砌混凝土X、y、Z3个方向的自由度, 同时约束拱脚水平位移。 1.3荷载工况 1)工况l:按照设计,套拱厚20 cm,配钢筋∥16 间距20 cm,?;げ愫穸? cm,验算各截面应力状况。 2)工况2:按现场情况,拱顶超挖,套拱厚35 cm, 拱脚欠挖,套拱厚15 cm,?;げ? cm情况,验算各截 面应力状况。 3)工况3:按现场情况,拱顶超挖,套拱厚35 cm, 拱脚欠挖,套拱厚15 cm,?;げ?0 cm情况,验算各截 面应力状况。 工况1~工况3设计套拱混凝土厚度见图1。 2014年第6期(11一)第32巷啼荭数术71 万方数据 器轨道交通与地下工程 。f roc氧’丁f丞Ff;c&amp;amp;Underground Englnee“ng 拼N 、 互( : __r 352 352 50一。50 803 图l 设计套拱混凝土厚度(cm) 1.4主要技术参数 1)C25混凝土弹性模量:E。=2.8×104 MPa; 2)C25混凝土材料强度设计值:[盯。]-1.27 MPa, [以]_11.9 MPa。 1.5计算模型 计算模型如图2所示。 图2 MIDAS civil模型 2 MmAS计算结果 2.1工况1计算结果 计算结果如图3、4所示。 图3工况l套拱纵向应力分布(MPa) 72 啼荭故木2014 No.6(NoV.)VoI.32 + 图4工况1套拱挠度分布(mm) 由图3、4可知,拱顶为最不利位置,最大拉应力 O.18MPa,最大压应力-0.36MPa,拱顶最大挠度0.20mm。 2.2工况2计算结果 计算结果如图5、6所示。 图5‘T况2套拱纵向应力分布(MPa) 图6工况2套拱挠度分布(mm) 一:盖 日:嚣 日嚣 口:器 量蒸 ^-口H州√ 。L 由图5、6可知,拱顶为最不利位置,最大拉应力 O.26 MPa,最大压应力_041 MPa,拱顶最大挠度0.22 mm。 2.3工况3计算结果 计算结果如图7、8所示。 由图7、8可知,拱顶为最不利位置,最大拉应力 0.28 MPa,最大压应力_042 MPa,拱顶最大挠度0.22 mm。 由图3~8可以看出.衬砌拱顶底部和拱脚背部是 设计薄弱部位??刹捎门渲酶纸畲胧┞慊炷量估?万方数据 冈8 I:况3套拱挠度分布(mm) 强度的要求;T况2相比T况l为不利设计T况,所以 只需建立1二况2梁单元模型,分别得出拱顶、拱脚内 力值,采用桥梁博士软件进行截面钢筋配置和验算。 3桥梁博士验算 3.1提取MmAS计算内力 梁单元模型及计算结果如图9~12所示。 轨道交通与地下工程昌昌 q 1 1 剪力(k.、 L L 通过计算得出拱顶下缘最大拉应力单元的内力值: 轴力肚一8-3 kN、剪力Q=0.2 kN、弯矩M=27.1 kN·m; 拱脚背部最大拉应力单元的内力值:轴力止一31.4 kN、 剪力Q=1.7 kN、弯矩M=一1 1.0 kN·m。 3.2桥梁博士验算结果分析 取衬砌混凝土径向1 m宽度长度进行计算分析。 3.2.1拱顶(35 cm)下缘 1)下缘配置5∥16 mm钢筋(?;げ? cm):长期荷 载弯矩M-27.1 kN·m;全部使用荷载弯矩M.,=27.1 kN·m; 长期荷载裂缝宽度(d厂)为0.116 mm
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