衬砌背后空洞对通透肋工连拱隧道结构安全性影响研究.pdf

摘要

随着我国公路隧道建设力度的加大，逐渐开展研究了一类新型的隧道结构—通

透肋式连拱隧道，这种新结构对传统傍山连拱隧道进行了优化，相较于现有的连拱

隧道新增了外洞等距离肋梁结构，导致隧道受力变形规律更加复杂，没有相应的设

计理论和相似工程案例可借鉴。此外，傍山隧道围岩级别低，单边覆盖层薄，偏压

效应显著，在含有空洞的情况下，更容易诱发安全事故。在这种背景下，通过系统

地研究通透连拱隧道衬砌背后空洞致灾机理显得尤为迫切和重要。本文以南山隧道

为工程背景，采用理论计算、数值模拟及风险评估等方法研究含空洞情况下隧道结

构的变形规律及受力状态。主要研究的内容及结果有：

1

（）针对通透肋式连拱隧道开挖但未施作衬砌的最不利工况，模拟连拱隧道开

挖后围岩松弛的极限破坏状态，分析出围岩塑性区的发展范围和破裂面的位置，确

定破裂角大小，概括出通透肋式连拱隧道围岩压力计算模型。通透肋式连拱隧道围

岩基本破坏模式为：通过拱脚的一斜面，拱顶山坡岩体形成楔体滑移，破裂角的大

小即趋势滑动面与水平面的夹角决定着围岩破坏的范围，应变发生的位置即为滑移

点。

2

（）考虑隧道内外洞室的非对称性及开挖顺序，提出围岩荷载作用模式，进一

步推导含壁后空洞下的围岩压力计算公式。在此基础上用荷载结构法进行不同空洞

工况下的数值模拟。空洞大小的增大，引起右拱顶有向上的变形，轴力变小，弯矩

由向隧道内侧受压变成了向隧道外侧受拉，安全系数降低。空洞深度的加深，使衬

砌单元最终变形量呈现出右拱顶右洞右拱肩右洞左拱肩的规律，当拱顶空洞较小

时，深度大的压力小于深度小的压力。空洞位置的改变，引起空洞范围内衬砌结构

的向上变形，左洞右拱肩、中隔墙内力改变受空洞位置变化不太敏感。

3

（）通过三维数值模拟，分析不同衬砌背后空洞条件下通透肋式连拱隧道动态

受力变形规律。空洞大小工况下，右导洞开挖阶段影响衬砌变形效果显著，空洞大

小的增加使得中隔墙拉剪受力逐渐变成偏向右侧的压弯受力，左洞开挖阶段，空洞

大小的改变对底部肋梁变化影响明显，地表沉降值随空洞大小增大而增大。不同空

洞深度工况下，对左洞右拱肩位移影响较明显，左导洞开挖阶段，空洞深度对中隔

墙底部正向变形促进效果明显，空洞深度的增加对地表沉降有一定的促进作用。空

洞位置的变化对该空洞位置处的衬砌沉降有抑制作用，空洞位于右洞左拱肩时对地

表沉降促进作用最明显。

4

（）采用贝叶斯网络理论，结合数值模拟结果，建立衬砌背后存在空洞条件下

通透肋式连拱隧道施工安全风险分析模型。根据空洞相关参数风险等级排序为空洞

位置空洞大小空洞深度。利用贝叶斯网络事前预测技术，通过工况的模拟结果直

接预测出相应工况空洞风险等级。同时利用贝叶斯网络事后诊断技术，模拟四种不

同工况，即已知围岩变形等情况，可以诊断得到空洞不同因素的概率分布。根据位

移准则，得到衬砌背后含空洞通透肋式连拱隧道施工安全风险分区结果。

关键词：衬砌背后空洞；通透肋式连拱隧道；荷载结构法；结构安全性；贝叶斯网络

Abstract

WiththeincreaseinChinashighwayarchtunnelconstruction,basedontheoptimization

ofthetraditionalmountainsidearchtunnel,anewtypeofdouble-archtunnelstructureis

proposed.Ithasanewequidistantrib-beamstructurecomparedtotheexistingarchtunnel,

resultinginamorecomplextunnelstressanddeformationlaw.Thereisnocorresponding

designtheoryandsimilarengineeringcasesto