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摘要：随着我国城市化发展，城市空间利用率越来越高，地下空间的利用逐渐增加。因此，越来越多的隧道在城市地区被修建，隧道已然成为我国重要的交通设施，保证既有隧道安全运营尤为重要。本文基于某既有运营隧道，运用利用GTS NS和FLAC3D软件对其运营期间的安全性进行评估。
关键词：公路隧道、运营、安全评估
1 模型建立及概况
该隧道所在公路段为城市I级主干道，隧道全长860m，道路等级为城市快速路，设计车速60km/h。采用上、下行分离式双洞，为双向六车道。隧道轴间距52.25m，隧道标准净跨14.286m，车行道净宽12.25米，两侧各设0.75米检修通道，洞高7.713m。隧道进口段和洞身段围岩分别分级为Ⅴ级和Ⅳ级。
利用GTS NS和FLAC3D软件对正常运营期间车辆荷载对该隧道的影响进行数值模拟。首先运用GTS NS完成隧道、围岩的模型构建及模型网格的划分，然后将模型导入FLAC3D，通过命令流实现车辆荷载对隧道影响计算。
2 GTS NS模型构建
整个模型沿X轴向方向长为140m，沿Y轴方向长为200m，沿Z轴方向长约为65m。根据隧道传感设备平面布置图模型取隧道长度200m，隧道结构按照隧道设计图纸完成构建，另在隧道仰拱处设回填层和路基部分。参考隧道相关图纸确定围岩的参数。其中隧道、路基、衬砌和围岩均采用实体单元，通过布尔运算实现各个部分的紧密粘结。岩体采用弹-塑性本构模型，强度准则采用 Mohr-Colunm准则，隧道衬砌采用非线性弹性本构模型。
根据隧道图纸确定隧道上覆围岩层厚度为10m，并根据文献及相关工程计算经验，在3倍洞跨处，应力变化一般在5%以下，在5倍洞跨处，应力变化一般在1%以下。因此，考虑有限元离散误差和计算误差，模型计算范围水平方向两隧道洞口两边各取3倍洞跨以上，下边界取隧道净高的3倍以上。模型边界条件采用位移边界，模型左右边界约束水平位移，前后边界约束纵向位移，下边界约束竖向位移，上边界为自由边界。利用GTS NS对模型构建完成后对模型进行网格划分，进行网格划分时要首先尽量使隧道及周围部分的网格为六面体网格。
3 FLAC3D计算过程
计算所选取的地质参数及各材料物理力学参数见表1所示。
根据《JTG 3370.1-2018公路隧道设计规范》和《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》确定两个三车道公路隧道的车辆荷载情况。
将模型导入FLAC3D，检查网格分組情况。FLAC3D计算模型云图如图1所所示。通过命令流赋予隧道结构及围岩参数，并模拟隧道开挖、回填层及路基的铺设及隧道的运营。
4 数值模拟计算结果
根据隧道的传感器设备布置平面图，监测最关心的是运营期间隧道结构中衬砌的沉降、收敛及受力情况，所以其他部分的计算结果在此不过多赘述，以下主要展示运营期间隧道衬砌的数值模拟计算结果。
由图2、图3易知，隧道最大主应力出现在左侧拱腰、拱顶、右侧拱腰等位置。隧道在Z方向沉降大小约2.32mm。根据计算结果，结合实际情况，本隧道预警阀值暂按沉降3mm，应变80μ·ε设置。
5 该隧道预警策略及措施
根据计算结果和实际情况设置二级预警指标，其中二级预警为黄色预警，一级预警为红色预警。当隧道应变在60μ·ε～80μ·ε时，预警级别为黄色，离散预警指标为3.5。当隧道应变大于80μ·ε时，预警级别为红色，离散预警指标为4.5。当隧道沉降在2.4mm～3mm时，预警级别为黄色，离散预警指标为3.5。当隧道沉降大于3mm时，预警级别为红色，离散预警指标为4.5。
有些具有弹性的指标采用阀值预警时，一定时间内多次黄色预警升级为红色预警，如：应力、挠度、索力一月内发生十次有效黄色预警即升级为红色预警。有时虽然监测指标未达到设定的预警阀值，但发生了突变（在提出议程数据的前提条件下），为了对这种突变引起注意，发现数据突变时间点，查找原因，参考有关技术标准，制定数据离散系数预警方法。数据离散系数预警法不适用于裂缝和环境监测指标。数据离散系数预警建立在方差、标准差、有效值、离散系数的基础数据上。
西南科技大学
关键词：公路隧道、运营、安全评估
1 模型建立及概况
该隧道所在公路段为城市I级主干道，隧道全长860m，道路等级为城市快速路，设计车速60km/h。采用上、下行分离式双洞，为双向六车道。隧道轴间距52.25m，隧道标准净跨14.286m，车行道净宽12.25米，两侧各设0.75米检修通道，洞高7.713m。隧道进口段和洞身段围岩分别分级为Ⅴ级和Ⅳ级。
利用GTS NS和FLAC3D软件对正常运营期间车辆荷载对该隧道的影响进行数值模拟。首先运用GTS NS完成隧道、围岩的模型构建及模型网格的划分，然后将模型导入FLAC3D，通过命令流实现车辆荷载对隧道影响计算。
2 GTS NS模型构建
整个模型沿X轴向方向长为140m，沿Y轴方向长为200m，沿Z轴方向长约为65m。根据隧道传感设备平面布置图模型取隧道长度200m，隧道结构按照隧道设计图纸完成构建，另在隧道仰拱处设回填层和路基部分。参考隧道相关图纸确定围岩的参数。其中隧道、路基、衬砌和围岩均采用实体单元，通过布尔运算实现各个部分的紧密粘结。岩体采用弹-塑性本构模型，强度准则采用 Mohr-Colunm准则，隧道衬砌采用非线性弹性本构模型。
根据隧道图纸确定隧道上覆围岩层厚度为10m，并根据文献及相关工程计算经验，在3倍洞跨处，应力变化一般在5%以下，在5倍洞跨处，应力变化一般在1%以下。因此，考虑有限元离散误差和计算误差，模型计算范围水平方向两隧道洞口两边各取3倍洞跨以上，下边界取隧道净高的3倍以上。模型边界条件采用位移边界，模型左右边界约束水平位移，前后边界约束纵向位移，下边界约束竖向位移，上边界为自由边界。利用GTS NS对模型构建完成后对模型进行网格划分，进行网格划分时要首先尽量使隧道及周围部分的网格为六面体网格。
3 FLAC3D计算过程
计算所选取的地质参数及各材料物理力学参数见表1所示。
根据《JTG 3370.1-2018公路隧道设计规范》和《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》确定两个三车道公路隧道的车辆荷载情况。
将模型导入FLAC3D，检查网格分組情况。FLAC3D计算模型云图如图1所所示。通过命令流赋予隧道结构及围岩参数，并模拟隧道开挖、回填层及路基的铺设及隧道的运营。
4 数值模拟计算结果
根据隧道的传感器设备布置平面图，监测最关心的是运营期间隧道结构中衬砌的沉降、收敛及受力情况，所以其他部分的计算结果在此不过多赘述，以下主要展示运营期间隧道衬砌的数值模拟计算结果。
由图2、图3易知，隧道最大主应力出现在左侧拱腰、拱顶、右侧拱腰等位置。隧道在Z方向沉降大小约2.32mm。根据计算结果，结合实际情况，本隧道预警阀值暂按沉降3mm，应变80μ·ε设置。
5 该隧道预警策略及措施
根据计算结果和实际情况设置二级预警指标，其中二级预警为黄色预警，一级预警为红色预警。当隧道应变在60μ·ε～80μ·ε时，预警级别为黄色，离散预警指标为3.5。当隧道应变大于80μ·ε时，预警级别为红色，离散预警指标为4.5。当隧道沉降在2.4mm～3mm时，预警级别为黄色，离散预警指标为3.5。当隧道沉降大于3mm时，预警级别为红色，离散预警指标为4.5。
有些具有弹性的指标采用阀值预警时，一定时间内多次黄色预警升级为红色预警，如：应力、挠度、索力一月内发生十次有效黄色预警即升级为红色预警。有时虽然监测指标未达到设定的预警阀值，但发生了突变（在提出议程数据的前提条件下），为了对这种突变引起注意，发现数据突变时间点，查找原因，参考有关技术标准，制定数据离散系数预警方法。数据离散系数预警法不适用于裂缝和环境监测指标。数据离散系数预警建立在方差、标准差、有效值、离散系数的基础数据上。
西南科技大学