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&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