基于有限元的盾构隧道内部结构承载能力评价

0 引言
南京长江隧道位于南京长江大桥和长江三桥之间，北起浦口区的宁合高速公路入口， 南至南京市主城区的滨江快速路与纬七路互通立交，全长 5 853 m（图 1） 。 隧道陆域段采用明挖法施工、越江段采用盾构法施工，为圆形断面， 断面外径 14.5 m， 内部为预制结构和现浇相结合， 主要有车道板、牛腿等（图 2）。
随着使用年限增加、车辆荷载增加、不利环境影响，其结构性能逐渐退化，不可避免地暴露出各种结构损伤(车道板牛腿、底部混凝土开裂、剥落等)，这将导致结构承载能力和耐久性降低，运营状况不能满足要求[1-3]。本隧道未来将考虑开放部分货车通行，限载提高。公路交通载重和运量的不断增加， 给隧道承载能力和通行能力提出了更高要求，因此，评价隧道限载提高后现有结构的安全性，延长隧道的服役寿命，具有重要的经济技术意义[4-5]。0 计算理论
0.1 计算方法与步骤
采用荷载结构法对隧道标准段进行整体计算，确定其内力分布及承载能力[6-7]。  根据荷载组合，确定结构整体受力后的控制截面。同时，根据既有结构的材料强度、结构尺寸及所配钢筋，通过强度控制及裂缝控制，计算结构所能承受的最大内力，即允许内力。 将结构实际内力值与允许内力值相比较，即可判断结构的工作状态，进而评估结构的安全性。
0.2 计算模型及参数
隧道外径 14 500 mm，内径 13 300 mm，衬砌厚 600 mm， 边箱涵车道板厚 400 mm，中间箱涵车道板厚 300 mm，下部中隔墙厚 250 mm。 圆形盾构段结构如图 3 所示。
（1） 计算模型
计算模型采用平面杆系有限元模型进行分析。 衬砌、“口” 形预制节段和现浇车道板等结构均采用梁单元模拟， 周边土层采用抗压弹簧单元模拟。 如图 4 所示。
（1） 计算参数 混凝土强度等级：边箱涵 C35，中箱涵 C40。 弹性模量
34.5×109 kPa，重度 25 kN/m3，泊松比 0.2。
0 计算结果及分析
0.1 永久荷载作用
内部结构计算中，考虑如下两种永久恒载：结构自重和二期恒载。车道板的二期恒载主要考虑 35 cm 道路铺装层， 永久荷载如图 5 所示，计算结果如图 6 所示。
0.2 汽车荷载（可变荷载）作用
隧道车道层采用城—A 级五轴式货车加载，总重 700 kN，
最大轮重 100 kN。 依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥图 6 永久荷载计算结果
涵设计规范》（JTG D62-2004），路面板荷载分布宽度：a=(a1+ 2h)+L/3≥2L/3，边板 a=2.67 m，中板 a=2.67 m。  取每延米宽度计算，对荷载进行折减。 本次计算分别考虑汽车荷载对车道板中间跨最不利和对边跨最不利的 2 种工况进行分析。
工况 1：边跨最不利（见图 7、图 8）表 1 按强度控制计算的安全度




注：本计算中间箱涵未考虑加腋，中跨富余安全度更大，B 代表钢筋。

工况 2：中跨最不利（见图 9、图 10）
 
图 9 工况 2（中跨最不利）计算模型图 
 
图 10 工况 2（中跨最不利）计算结果
0.1 按承载能力极限状态（强度）控制计算内力
对各个控制截面，按承载强度控制（实际配筋量 Q）反算结构所能承受的允许内力 Mf，与计算内力 M 对比，具体计算值列入表 1。
0.2 按正常使用状态（裂缝）控制计算
对各个控制截面，根据计算内力，求得实际裂缝宽度， 与顶板处允许的变形量 δf 对比（取 δf=0.3 mm）， 具体计算值列入表 2 所示。
从计算结果可以看出，结构内力最大处为中跨支座，富余安全度最小。边跨支座富余安全度最大。边跨最小富余安全度为 65%，最大富余安全度为 100%。 中跨最小富余安全度为 29%，最大富余安全度为 69%。 因此隧道行车道板的设计截面和配筋满足规范要求， 设计裂缝宽度也在规范要求范围内。
0 结论
盾构隧道往往内部结构空间狭小， 其车道板等构件采用预制构件，随着使用年限、车辆荷载增加、不利环境影响， 隧道结构性能逐渐退化，不可避免地暴露出各种结构损伤。为了分析隧道结构的安全性， 对隧道盾构段承载能力进行了检验，得出以下结论：
（1） 结构内力最大处为中跨支座，富余安全度最小，边跨支座富余安全度最大。 边跨最小富余安全度为 65%，最大富余安全度为 100%。 中跨最小富余安全度为 29%，最大富余安全度为 69%。
（2） 依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，隧道行车道板的设计截面和配筋满足规范要求，设计 裂缝宽度也在规范要求范围内。
参考文献
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