水头分布方式对隧道安全系数的影响分析

对于高压富水区山岭隧道衬砌结构体系来说,地下水荷载是设计时需要考虑的重要荷载,其严重影响衬砌结构的受力特性。衬砌的承载能力直接关系到运营期间隧道的安全性。本节介绍不同水头分布方式对隧道安全系数的影响,水头分布方式用泄水区位置和泄水压力值表示。泄水区间中部和环向盲管截面处衬砌各监测点内力计算结果见表3.4和表3.5。

由表3.4和表3.5分析可得,随着泄压值的增加,各监测点的内力均在逐渐增大。在泄水区间中部,最大弯矩值在仰拱处,泄压值依次增加0.2 MPa,对应弯矩值依次增大3.1、4.7、0.1 kN·m;最大轴力值在拱脚处,泄压值依次增加0.2 MPa,对应轴力值依次增大40、10、40 kN。在环向盲管截面处,弯矩最大值在拱顶,泄压值依次增加0.2 MPa,拱顶弯矩值依次增大0.2、0.7、1.0 kN·m;轴力最大值在拱脚处,泄压值依次增加0.2 MPa,拱脚轴力值增加幅度较小。环向盲管截面处仰拱的弯矩相比于泄水区间中部的仰拱弯矩值要小很多,主要由于衬砌结构是闭合的,且环向盲管截面处的衬砌整体受力相比泄水区间中部发生了改变,所以仰拱位置的弯矩值减小很多。

表3.4 泄水区间中部衬砌各监测点内力计算结果

表3.5 环向盲管截面处衬砌各监测点内力计算结果

4种不同泄压值下衬砌结构安全系数分布如图3.28所示。(www.xing528.com)

图3.28 衬砌结构安全系数分布

图3.28 衬砌结构安全系数分布(续)

(a)泄压值为0.2 MPa时泄水区间中部位置;(b)泄压值为0.2 MPa时环向盲管截面处;(c)泄压值为0.4 MPa时泄水区间中部位置;(d)泄压值为0.4 MPa时环向盲管截面处;(e)泄压值为0.6 MPa时泄水区间中部位置;(f)泄压值为0.6 MPa时环向盲管截面处;(g)泄压值为0.8 MPa时泄水区间中部位置;(h)泄压值为0.8 MPa时环向盲管截面处

分析图3.28可得,衬砌结构安全系数最小值在仰拱处,主要由于隧道衬砌结构外侧排水系统均位于衬砌结构拱部,这对仰拱处的渗流水没有起到一定的疏导作用,且仰拱处的孔隙水头最大,所以其安全系数最低。泄水区间中部位置的安全系数分布为:在拱腰处也出现了较小值,这主要是由于此处距离纵向排水盲管较近,渗水量较大,导致轴力较大,弯矩较小,所以安全系数较低。环向盲管截面处衬砌结构安全系数分布为:从拱顶、拱肩到拱腰的安全系数逐渐降低,从拱腰到拱脚的安全系数逐渐增大。随着泄压值的增加,衬砌结构各位置的安全系数均有一定程度的减小,主要由于泄压值的增加,衬砌结构外侧水头也会增加,故衬砌结构内力发生改变,轴力和弯矩增加,安全系数降低。