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            標準孔板流量計

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            標準孔板流量計不足時平面模型與空間模型的內力對比分析

            作者: 來源: 發布時間:2019-11-02 09:24:09

                [摘 要] 隧道襯砌一般作為平面問題進行計算,但在出現局部厚度不足時,空間模型能更好地反映隧道縱向上的受力不均勻。本文根據某隧道工程標準孔板流量計不足的實例,分別建立了平面及空間模型,對二襯的內力及安全系數進行了校核、對比。計算結果顯示: 平面模型得出的襯砌軸力均大于空間模型,而彎矩均小于空間模型; 襯砌厚度不足處的安全系數滿足要求,其值的大小并無明顯規律。

                在隧道修建過程中,由于局部欠挖、臺車安裝偏位等,常常會出現二襯厚度不足等缺陷[1]。按照《公路工程質量檢驗評定標準》,二襯 90% 檢測點的厚度應不小于設計厚度,且zui小厚度大于 1 /2 設計厚度,否則判定為不合格,應進行返工、加固和補強。不同于地上結構,對于隧道工程,返工拆除支護結構可能引起二次災害; 另一方面,由于洞內有建筑限界的限制,加固補強的手段也十分有限。因此,對不符合標準要求,但未出現開裂,特別是建設期間的二襯如何處治,仍是一個困擾建設單位的問題。但在洞口段淺埋段,襯砌是按照此段zui大荷載進行結構安全校核設計的,因此如果淺埋段出現標準孔板流量計不足問題,完全可以根據實際埋深計算所得荷載進行驗算校核[2]。
             
                對于隧道工程,一般都作為平面應變問題來求解襯砌結構的內力。但對于局部厚度不足的情況,縱向上內力不一致,平面問題的求解可能會和實際情況出現差別[3]。本文根據某隧道工程實例,針對洞口段拱頂局部厚度不足的情況,分別建立平面及空間計算模型,并對結果進行對比分析。

                1 工程概況
                1. 1 設計及地質概況
                某隧道為雙洞分離式隧道,隧道凈空( 寬 × 高)為10. 25m× 5.0m。隧道右洞設計樁號YK118 + 010 ~ YK122 + 120,長 4110m; 左洞設計樁號 ZK118 + 020 ~ ZK122 + 095,長 4075m; 隧道zui大埋深約 365m。

                在施工質量檢測中,右洞進口段 YK118 + 020 斷面初步認定為厚度不足。設計中 YK118 + 015 ~ + 050 段二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結構,厚度為 55cm,隧道拱墻采用 C25防水混凝土,仰拱采用 C25 普通混凝土。根據設計文件及掌子面素描記錄,YK118 + 015 ~ + 025 段洞身圍巖為全風化 ~碎塊狀強風化花崗巖,裂隙發育,巖體極破碎,呈散體 ~ 碎裂狀結構,為極軟巖。圍巖級別為 V 級。YK118 + 020 處埋深約為 7 ~ 10m。

                1. 2 無損檢測結果
                為評判此段穩定性,對 YK118 + 020( ± 5m) 斷面的二襯進行進一步檢測。檢測內容及方法包括: (1) 采用地質雷達,檢測二襯厚度、可能的孔洞分布情況; (2) 采用隧道斷面儀,檢測二襯內輪廓; (3) 采用回彈儀,檢測二襯混凝土回彈強度; (4) 觀察測量二襯表面可能的裂隙分布及寬度等。結果顯示:

                (1) 該段落二襯內輪廓與設計內輪廓相比存在一定程度的偏差,zui大侵入值位于 YK118 + 018 右邊墻,為 5. 6cm,但未侵入建筑限界,可滿足使用要求。
                (2) 隧道拱部、邊墻位置均未發現裂縫,由混凝土回彈強度測試結果可知,所測區域二襯砼抗壓強度符合設計要求。
                (3) 二襯厚度在拱頂、左拱肩、左拱腰、左邊墻處存在厚度不足的情況,厚度zui薄處位于左拱肩,厚度為 46cm,與原設計 55cm 差值為 9cm。
                (4) 雷達無損檢測未發現明顯的二襯背后空洞、脫空及不密實現象,二襯布置有鋼筋。

                根據以上分析可知,YK118 + 020( ± 5m) 斷面二襯結構zui大質量問題在于二襯厚度不足,因此擬根據實測內輪廓形狀及厚度結果以及原設計配筋情況,采用荷載結構法對二襯內力分析,并對配筋進行驗算。

                2 荷載結構法計算模型
                2. 1 計算工況
                根據隧道設計文件,YK118 + 020( ± 5m) 段落位于進口Ⅴ級圍巖淺埋段,采用 ZDK - 1 型復合支護,二次襯砌厚度為
            55cm,配筋為每延米對稱配筋單側 525 ( 24. 54cm2 ) 。地形
            基本無偏壓,覆蓋層較薄,為坡積粘土及殘積粘性土。
            因此,數值計算模型按淺埋無偏壓隧道,取埋深為 10m,對 ZDK -1 型復合支護的二次襯砌進行計算,工況如表1 所示。

             

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                2. 2 計算模型
                二次襯砌采用結構荷載法進行計算,計算軟件采用 MI- DAS GTS NX。二襯內輪廓采用檢測報告中隧道激光斷面儀檢測結果,除拱頂襯砌厚度為 48. 5cm 外,其余部分厚度均為55cm; 平面模型中將襯砌結構簡化為平面彈性梁單元,軸線采用二次襯砌中性軸位置; 空間模型中襯砌采用實體單元。圍巖的約束采用只受壓不受拉彈簧單元模擬,如圖 1 ~ 圖 2 所示。

             

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                2. 3 計算參數
                依據地質勘察報告及《公路隧道設計規范》選取圍巖及二襯混凝土的相關參數值,如表 2 所示。圍巖壓力按松散壓力計算,埋深為 10m,小于荷載等效高度,因此判定為Ⅴ級圍巖超淺埋工況,按全土柱重確定荷載。考慮二次襯砌承擔80% 的荷載。

             

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                3 計算結果及對比
                3. 1 內力計算結果
                平面模型計算斷面的內力分布圖見圖 3。空間模型的環向應力計算結果見圖 4。由于空間模型采用了空間實體單元,無法直接得出截面的內力,故取隧道襯砌厚度不足所在截面縱向 1m 寬長度提取內力。在模型計算完之后,添加平面以截取所要提取內力的截面,生成局部坐標系下的 x、y、z 軸的軸力和彎矩,即可以得出所需截面的內力。本文中提取內力的截面分別為拱頂、拱肩、拱腰、仰拱等 5 個部位,具體數值見表 4。

             

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            3. 2 計算結果對比分析總結
            分別取平面模型及空間模型中拱頂( 厚度不足處) 、拱肩、拱 腰、仰拱、仰拱( 中) 等點的軸力、彎矩和位移進行對比,見表4。

             

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                根據所選取的計算截面內力進行對比,可以得到以下結論:

                (1) 平面模型計算所得的軸力比空間模型小,zui大差值出現在拱腰位置,相差 26% 。

                (2) 平面模型計算所得的彎矩比空間模型大,zui大差值也出現在拱腰位置,相差 59% 。可見在平面模型條件下,襯砌的計算偏心距較大,在抗裂驗算時較為不利。但在本例中,所有截面偏心距均較小,滿足裂縫驗算要求。

                (3) 兩種模型得出的安全系數沒有一致的變化規律。在文中隧道拱頂厚度不足處,按照空間模型計算的安全系數大于平面模型,差值接近 10% ,仰拱部位兩者差值達到16% 。

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                4 結語
                本文針對隧道標準孔板流量計不足的情況,分別進行平面問題及空間問題建模求解,并對軸力、彎矩及安全系數進行了對比。相對而言,平面模型無法考慮隧道襯砌縱向之間的影響,空間計算模型較貼合實際。但在計算過程中,局部實體單元的應力會出現非物理振蕩現象,故通過單元應力積分求得的截面內力可能和實際情況有一定誤差,應在應用中予以注意。

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