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摘要：本章主要以南山隧道二衬拆除整治工程为依托，利用大型有限元软件ansys进行模拟分析，对南山隧道二衬拱顶下沉控制标准值进行探索，用强度折减有限元法来确定安全系数，采用解的不收敛和广义剪应变或等效塑性应变全断面贯通且塑性应变大小达到一定程度作为破坏标准。最后得出了南山隧道二衬拆除拱顶下沉理论控制参考值。
关键词：二衬拆除；数值模拟；控制标准；破坏标准
引言：
目前国内外对于隧道二衬拆除的研究还比较缺乏，在隧道的维修加固当中，针对隧道二衬拆除还没有完整、系统的规范可循。本文选取初支拱顶下沉值为控制性指标，对已建成隧道，通过运用ansys有限元软件分析模拟，结合强度折减法原理，对南山隧道二衬拆除整治过程中初支的拱顶下沉控制值进行探索，以分析隧道拆除过程中初支的稳定性，对整治施工能起到一定的指导作用。隧道在进行二衬拆除的本质是隧道近接施工的相互影响，进行隧道二衬拆除时，紧邻的围岩和初支初始应力场会产生变化，随着二衬拆除距离的增大，应力场的扰动量会增加，对一定距离以外的范围可忽略二衬拆除引起的影响，这就是隧道二衬拆除的影响区范围问题。
1.工程概况
南山隧道进口位于重庆市巴南区麻柳镇桂花村，出口为巴南区麻柳镇水淹村。为双向行驶隧道。隧道起止桩号为K31+910～K33+165，全长1255m。隧址区属低山地貌，所处地区主要为林区，少量耕植区，植被发育，隧道最大埋深118.21m。隧址区位于丰盛场背斜西翼近轴部，属复式背斜，背斜西翼近轴部，有小的扭曲倒转现象，该扭曲发生在须家河（T1xj）和雷口坡（T2l）岩层段，隧道进口处岩层产状108-115?∠65-75?；出口岩层产状279-297?∠72-65?。
2.有限元模型分析
2.1 计算模型
隧道有限元模型如图2.1所示，Ⅳ级围岩，岩体服从Mohr-Coulomb屈服准则与非关联流动法则的理想弹塑性本构模型，土体重度为 ，粘聚力与内摩擦角分别为 和 =27°。弹性模量为 =2200MPa，泊松比为 =0.35。
模型两侧为水平约束边界，底部为完全固定边界。采用plane42单元模拟岩体，模型含有1152个平面单元，节点总数为1224个。
2.2 计算条件
在分析计算时岩土体采用ansys中Drucker-Prager屈服准则[4]，材料参数根据地质勘测报告所提供的数值进行取值，见表1。
分三步对南山隧道二衬拱顶下沉控制标准值进行探索。
首先，计算自重应力下隧道的变形。取出自重应力作用下初支拱顶节点及其附近节点的下沉位移值，分析自重应力条件下，拱顶节点及其附近节点的位移变化规律。
然后，模拟隧道二衬拆除。通过有限元软件的“生死”功能，在建立的计算模型当中，将所有的二衬单元杀死。
其次，计算分析拆除安全系数。在进行隧道二衬拆除后，对初支拱顶节点赋予一个变形量，利用该变形量模拟隧道二衬拆除后的变形，运用强度折减法原理和解的不收敛判断准则，计算该变形量下对应的隧道二衬拆除安全系数。
最后，分析讨论隧道拆除控制标准。通过分析变形量与安全系数的曲线，分析施加节点位移值与安全系数的关系，判断隧道二衬拆除拱顶下沉控制标准值。
2.3 计算结果
2.3.1结果分析一
采用ANSYS大型通用软件对构件进行有限元模拟，在隧道进行二衬拆除后，初支拱顶节点施加位移，计算此情况下隧道对应的安全系数。
隧道ANSYS有限元模型施加位移荷载以0.5mm为基准，逐渐增大节点位移，同时其他参数均不变，诸如加载位置等。通过有限元计算可得出隧道结构安全系数随着位移量变化的结果，安全系数随着位移量荷载变化规律如图1所示。
图1 安全系数随位移值变化规律图
从图1安全系数随着位移荷载变化规律图可知，隧道安全系数随着位移荷载的增大首先呈增长趋势，出现增长趋势的原因是由于隧道初支在自重作用情况下已经有下沉位移值，拱顶节点处的位移值为1.49mm，当施加的位移值小于该节点在自重作用下的位移值时，相当于给予了拱顶一个向上的位移值，因而出现安全系数开始呈增长趋势。在施加的位移值大于节点在自重作用下的位移值时，才出现节点向下的位移值，此情形下安全系数开始呈下降趋势。
当增到到2.1mm时，安全系数突然下降到1.03，此时继续增大位移荷载通过有限元计算结果可发现安全系数均为1.02不发生变化，由此可知，此时隧道发生破坏。2mm即为南山隧道二衬拆除拱顶下沉的极限值，此理论计算结果可作为南山隧道二衬拆除拱顶下沉理论控制参考值。
2.3.2结果分析二
采用ANSYS大型通用软件对构件进行有限元模拟，在隧道进行二衬拆除后，初支拱顶节点施加位移（拱顶附近节点按比例施加位移），计算此情况下隧道对应的安全系数。
隧道ANSYS有限元模型施加位移值以1mm为基准，逐渐增大节点位移，同时其他参数均不变，诸如加载位置等。通过有限元计算可得出隧道结构安全系数随着位移量变化的结果，安全系数随着位移量荷载变化规律如图2所示。
图2 安全系数随位移值变化规律图
从图2可知当位移荷载从1.5mm 增加到2.4mm时，隧道安全系数则呈缓慢下降趋势从4.89下降到1.67。当位移荷载继续增到到2.5mm时，安全系数突然下降到1.03，此时继续增大位移荷载通过有限元计算结果可发现安全系数均为1.02不发生变化，由此可知，此时隧道发生破坏。2.4mm即为南山隧道二衬拆除拱顶下沉的极限值，此理论计算结果可作为南山隧道二衬拆除拱顶下沉理论控制参考值。
2.4有限元结果分析对比
通过上述两种有限元模拟分析结果可以看出，同等情况下，结果二（施加初支拱顶节点位移和附近节点按比例施加位移）得出的二衬拆除拱顶下沉控制标准值要大于结果一（施加初支拱顶节点位移）。
3.结论
本文以茶涪路南山隧道二衬整治工程为依托，针对隧道内由于衬砌裂缝病害所引起的隧道衬砌结构失稳进行了二衬整治，通过有限元对隧道的模拟分析，利用强度折减法原理，进行了南山隧道二衬拆除拱顶下沉控制标准值分析探索。通过两种施加位移的方法，得出两种情况下二衬拆除拱顶下沉控制标准值。
参考文献（References）：
[1]赵国旗.铁路隧道衬砌开裂病害整治方法初探[J].岩石力学与工程学报，1996，15（4）：385～389
[2]何远祥.隧道裂纹漏水的试验研究与应用[J].隧道及地下工程，1996，19（2）56～60
[3]沈巍，姚占奎.景荣山隧道出口段渗漏水的整治[J].隧道及地下工程，1994，15（l）：38～42
[4]赵永明，邓松华.云南某隧道硅衬砌裂损原因及整治措施[J].隧道及地下工程，1994，15（3）：33～36
关键词：二衬拆除；数值模拟；控制标准；破坏标准
引言：
目前国内外对于隧道二衬拆除的研究还比较缺乏，在隧道的维修加固当中，针对隧道二衬拆除还没有完整、系统的规范可循。本文选取初支拱顶下沉值为控制性指标，对已建成隧道，通过运用ansys有限元软件分析模拟，结合强度折减法原理，对南山隧道二衬拆除整治过程中初支的拱顶下沉控制值进行探索，以分析隧道拆除过程中初支的稳定性，对整治施工能起到一定的指导作用。隧道在进行二衬拆除的本质是隧道近接施工的相互影响，进行隧道二衬拆除时，紧邻的围岩和初支初始应力场会产生变化，随着二衬拆除距离的增大，应力场的扰动量会增加，对一定距离以外的范围可忽略二衬拆除引起的影响，这就是隧道二衬拆除的影响区范围问题。
1.工程概况
南山隧道进口位于重庆市巴南区麻柳镇桂花村，出口为巴南区麻柳镇水淹村。为双向行驶隧道。隧道起止桩号为K31+910～K33+165，全长1255m。隧址区属低山地貌，所处地区主要为林区，少量耕植区，植被发育，隧道最大埋深118.21m。隧址区位于丰盛场背斜西翼近轴部，属复式背斜，背斜西翼近轴部，有小的扭曲倒转现象，该扭曲发生在须家河（T1xj）和雷口坡（T2l）岩层段，隧道进口处岩层产状108-115?∠65-75?；出口岩层产状279-297?∠72-65?。
2.有限元模型分析
2.1 计算模型
隧道有限元模型如图2.1所示，Ⅳ级围岩，岩体服从Mohr-Coulomb屈服准则与非关联流动法则的理想弹塑性本构模型，土体重度为 ，粘聚力与内摩擦角分别为 和 =27°。弹性模量为 =2200MPa，泊松比为 =0.35。
模型两侧为水平约束边界，底部为完全固定边界。采用plane42单元模拟岩体，模型含有1152个平面单元，节点总数为1224个。
2.2 计算条件
在分析计算时岩土体采用ansys中Drucker-Prager屈服准则[4]，材料参数根据地质勘测报告所提供的数值进行取值，见表1。
分三步对南山隧道二衬拱顶下沉控制标准值进行探索。
首先，计算自重应力下隧道的变形。取出自重应力作用下初支拱顶节点及其附近节点的下沉位移值，分析自重应力条件下，拱顶节点及其附近节点的位移变化规律。
然后，模拟隧道二衬拆除。通过有限元软件的“生死”功能，在建立的计算模型当中，将所有的二衬单元杀死。
其次，计算分析拆除安全系数。在进行隧道二衬拆除后，对初支拱顶节点赋予一个变形量，利用该变形量模拟隧道二衬拆除后的变形，运用强度折减法原理和解的不收敛判断准则，计算该变形量下对应的隧道二衬拆除安全系数。
最后，分析讨论隧道拆除控制标准。通过分析变形量与安全系数的曲线，分析施加节点位移值与安全系数的关系，判断隧道二衬拆除拱顶下沉控制标准值。
2.3 计算结果
2.3.1结果分析一
采用ANSYS大型通用软件对构件进行有限元模拟，在隧道进行二衬拆除后，初支拱顶节点施加位移，计算此情况下隧道对应的安全系数。
隧道ANSYS有限元模型施加位移荷载以0.5mm为基准，逐渐增大节点位移，同时其他参数均不变，诸如加载位置等。通过有限元计算可得出隧道结构安全系数随着位移量变化的结果，安全系数随着位移量荷载变化规律如图1所示。
图1 安全系数随位移值变化规律图
从图1安全系数随着位移荷载变化规律图可知，隧道安全系数随着位移荷载的增大首先呈增长趋势，出现增长趋势的原因是由于隧道初支在自重作用情况下已经有下沉位移值，拱顶节点处的位移值为1.49mm，当施加的位移值小于该节点在自重作用下的位移值时，相当于给予了拱顶一个向上的位移值，因而出现安全系数开始呈增长趋势。在施加的位移值大于节点在自重作用下的位移值时，才出现节点向下的位移值，此情形下安全系数开始呈下降趋势。
当增到到2.1mm时，安全系数突然下降到1.03，此时继续增大位移荷载通过有限元计算结果可发现安全系数均为1.02不发生变化，由此可知，此时隧道发生破坏。2mm即为南山隧道二衬拆除拱顶下沉的极限值，此理论计算结果可作为南山隧道二衬拆除拱顶下沉理论控制参考值。
2.3.2结果分析二
采用ANSYS大型通用软件对构件进行有限元模拟，在隧道进行二衬拆除后，初支拱顶节点施加位移（拱顶附近节点按比例施加位移），计算此情况下隧道对应的安全系数。
隧道ANSYS有限元模型施加位移值以1mm为基准，逐渐增大节点位移，同时其他参数均不变，诸如加载位置等。通过有限元计算可得出隧道结构安全系数随着位移量变化的结果，安全系数随着位移量荷载变化规律如图2所示。
图2 安全系数随位移值变化规律图
从图2可知当位移荷载从1.5mm 增加到2.4mm时，隧道安全系数则呈缓慢下降趋势从4.89下降到1.67。当位移荷载继续增到到2.5mm时，安全系数突然下降到1.03，此时继续增大位移荷载通过有限元计算结果可发现安全系数均为1.02不发生变化，由此可知，此时隧道发生破坏。2.4mm即为南山隧道二衬拆除拱顶下沉的极限值，此理论计算结果可作为南山隧道二衬拆除拱顶下沉理论控制参考值。
2.4有限元结果分析对比
通过上述两种有限元模拟分析结果可以看出，同等情况下，结果二（施加初支拱顶节点位移和附近节点按比例施加位移）得出的二衬拆除拱顶下沉控制标准值要大于结果一（施加初支拱顶节点位移）。
3.结论
本文以茶涪路南山隧道二衬整治工程为依托，针对隧道内由于衬砌裂缝病害所引起的隧道衬砌结构失稳进行了二衬整治，通过有限元对隧道的模拟分析，利用强度折减法原理，进行了南山隧道二衬拆除拱顶下沉控制标准值分析探索。通过两种施加位移的方法，得出两种情况下二衬拆除拱顶下沉控制标准值。
参考文献（References）：
[1]赵国旗.铁路隧道衬砌开裂病害整治方法初探[J].岩石力学与工程学报，1996，15（4）：385～389
[2]何远祥.隧道裂纹漏水的试验研究与应用[J].隧道及地下工程，1996，19（2）56～60
[3]沈巍，姚占奎.景荣山隧道出口段渗漏水的整治[J].隧道及地下工程，1994，15（l）：38～42
[4]赵永明，邓松华.云南某隧道硅衬砌裂损原因及整治措施[J].隧道及地下工程，1994，15（3）：33～36