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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		点击数：	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．钢筋混凝土保护层厚度40 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
墙最大钢筋保护层达到10 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，保护层厚度4 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，保护层4 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，保护层10 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。可采用配置钢筋措施满足混凝土抗拉
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(保护层4 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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