关于隧洞底板隆起的处理方法研究

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摘要：以山隧洞为研究对象，建立数学模型，模拟实际的底板隆起现象，通过有限元解析，得出桩的位移及轴力的变化、山体的围岩压力与位移的变化、以及受到的桩的影响的隧洞底板的轴力与位移变化。阐述了桩抑制隧洞底板膨胀的原理，确定最好的抑制方法。

关键词：数学模型；有限元分析；轴力与位移变化

中图分类号：U448文献标识码： A

1、背景与目的

近些年，高速公路的隧洞经常会出现一些隧洞底板隆起的变形现象。而发生底板隆起变形现象的隧洞多数为使用超过十几年以上的隧洞，变形原因几乎可以判定为受到塑性压力的影响。

作为高速公路管理局的处理方法，当底板隆起的位移量较小的情况时，则采用切割变形的底板，之后重新进行覆盖，保证公路畅通。可是这种方法采用多了，到最后就无法进行处理了，只能重新修建隧洞的底拱。而在修建新的隧洞底拱时，进行底板下面的土体及山体开挖，因为在交通开放的状态下进行施工是非常困难的，所以必须规定停止隧洞通行。还有一种与重新修建隧洞底拱具有相同目的的处理方法，就是锚杆（竖直向下）、小型桩、桩（钢管桩、混凝土桩等）等隧洞底板下的处理方法。而这种方法可以在一侧车道限制的情况下，进行施工。与重新修建底拱相比较，施工时间较短，采用桩（管、锚杆等）的施工案例越来越多。

因此关于底板的变形的处理方法着重研究桩，把确立设计方法为研究目标，本次研究以山隧洞为研究对象，通过模型数值分析，进行模拟实际的底板膨胀现象。并且明确根据由于桩施工所设计的一次衬砌和底板的影响、变形抑制效果，评价桩的力及抑制隆起的效果。最后进行注明桩发挥抑制底板膨胀现象的原理及过程，提出最好的方法。

2、混凝土桩及桩的配置

左侧图1是混凝土桩的示意图。

关于混凝土桩的配置，主要把桩径（100、200、

300、400mm）、桩长（4、6、8、10m）、根数（4、6、

8根）等作为参数，划分不同的案例，进行解析，来

验证桩对底板隆起现象的抑制作用。

3、关于桩的抑制效果的验证

关于桩的施工是在混凝土底板被破坏的时候使用。依靠山体与桩之间的附着力、摩擦力，来发挥桩的抑制效果。

桩的抑制效果主要通过一次衬砌和底板的变形（位移）和轴力、以及山体的内部变形（位移）、应力来进行验证。而解析模型如下图2，山体、隧洞及桩的物理参数如下表1。而山体看作为Mohr-Coulomb模型的完全弹塑性体。

弹性系数 N/mm2 泊松比 单位体积重量 N/mm3 粘着力

N/mm2 内部摩擦角

Deg

山体 36 0.4 2.0e-5 0.319 25

一次衬砌 360 0.2 2.3e-5

二次衬砌 22000 0.2 2.3e-5

底板 22000 0.2 2.3e-5

桩 22000 0.2 2.3e-5

山体强度降低 36 0.4 2.0e-5 0.20 25

1）位移（变形）：随着桩径、桩长、根数的增加，位移整体的减少。而关于隧洞内空位移，影响最大的参数是桩的根数，内空位移差的最大值为13mm。而桩径与桩长的影响几乎是相同的，大致6mm。而关于山体内部位移（从隧洞中心向下的竖直位移），桩长的影响最大，桩长4m的时候，大致50mm，桩长6m的时候，大致10mm。

2）轴力：随着桩的根数的增加，轴力也相应的增加，这是桩与底板的结合部轴力增加的主因。

3）最大主应力：根据桩的施工，桩的抑制效果，最大主应力从拉伸力变为压力。但是桩径的影响效果很小，并且桩的根数（6根与8根）和桩长（6m与8m）的最大主应力几乎相同，影响较小。

4、结论

根据桩的数值分析，能够确认抑制底板隆起的效果非常明显。另外，桩的根数的影响比桩长、桩径大，按照补强效果的增加，底板、山体的竖直位移、轴力和应力也减少。而本次的山隧洞的数值分析，当桩长为6m、桩径为400mm，根数为8根的时候，效果是最好的。

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