某隧道隧底填充結(jié)構(gòu)裂損差異分析

汪旵生，盧洪強(qiáng)，鄭 波

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 611731)

某隧道隧底填充結(jié)構(gòu)裂損差異分析

汪旵生1，盧洪強(qiáng)1，鄭 波2

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 611731)

某隧道進(jìn)口段仰拱填充結(jié)構(gòu)在施工期出現(xiàn)大量裂縫，且左線裂縫明顯比右線裂縫多。通過現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，隧道進(jìn)口段地表的地形明顯存在一定坡度，左高右低，這種情況在一定程度上導(dǎo)致隧道左、右線所處位置的地下水頭高度存在一定差別。通過對圍巖滲流場計算得出，左線隧道仰拱中心底部最大水壓力值為0.235 MPa，右線隧道仰拱中心底部最大水壓力值為0.207 MPa，作用在左線隧道仰拱中心底部的最大水壓力比作用在右線隧道仰拱中心底部的最大水壓力約大12%。從襯砌結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果得到，隧道左線仰拱填充結(jié)構(gòu)的最大主力極值大于隧道右線仰拱填充結(jié)構(gòu)的最大主力極值，且兩者均大于或稍大于仰拱填充材料C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂，并出現(xiàn)隧道左線仰拱填充結(jié)構(gòu)拉張裂縫較多，而右線仰拱填充結(jié)構(gòu)拉張裂縫較少的現(xiàn)象。

鐵路隧道;仰拱;開裂差異;水壓力;極限抗拉強(qiáng)度

1 研究背景

目前，國內(nèi)外學(xué)者分別從試驗分析或理論研究出發(fā)，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)做了大量研究工作。如:肖林萍等［1］對雙連拱隧道的施工方法與結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗研究;朱永全［2］進(jìn)行了隧道襯砌結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)試驗研究，明確了隧道襯砌結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)概念;程樺［3］對軟弱圍巖復(fù)合式隧道襯砌進(jìn)行了模型試驗研究，比較了直墻式與曲墻式隧道襯砌的變形、承載能力與破壞特征;潘洪科［4］在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合正反有限元方法分析了偏壓對隧道襯砌開裂的影響等。事實上，對于不同隧道，由于其所處地質(zhì)環(huán)境不同，其襯砌開裂機(jī)理與特征亦有所不同［5-9］，對襯砌結(jié)構(gòu)開裂機(jī)理分析應(yīng)結(jié)合具體工程展開。從既有文獻(xiàn)資料來看，對隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂研究案例很少，尚未發(fā)現(xiàn)研究隧道左、右線仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂差異分析資料。因此，結(jié)合某隧道進(jìn)口段仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂情況，從地質(zhì)、地形因素等方面探討仰拱填充結(jié)構(gòu)左、右線開裂差異，對隧道襯砌開裂機(jī)理研究有著重要的意義。

2 工程概況

某隧道地處福建西北部，進(jìn)口位于將樂縣城郊苦竹村，出口位于沙縣夏茂鎮(zhèn)后壟村。左線隧道全長17 842 m，右線隧道全長17 836 m。進(jìn)口段隧道圍巖級別為Ⅳ或Ⅴ級，最大埋深約60 m，地下水發(fā)育，穿越F1、F2斷層，斷層可見寬度約15.0 m，麋棱巖為主，伴有綠泥石化，少量團(tuán)塊狀硅化，斷面產(chǎn)狀 100°∠70°，走向與路線夾角為42°，為壓扭性逆斷層，上盤下盤擠壓片理發(fā)育，影響寬度各約20 m。在隧道施工過程中，在隧道進(jìn)口段右上部建設(shè)水泥廠填筑場地，改變了原有地形地貌，抬升了地下水位。該隧道采用在邊墻與拱部設(shè)置盲管+無紡布+防水板的排水系統(tǒng)，底部不設(shè)任何地下水排導(dǎo)系統(tǒng)。

3 仰拱填充結(jié)構(gòu)裂縫特征

在隧道開挖后，隧道進(jìn)口段襯砌出現(xiàn)大量裂縫，特別是在仰拱填充結(jié)構(gòu)部位，裂縫上寬下窄，呈“Ⅴ”字形，局部裂縫發(fā)育斜向發(fā)展，多數(shù)裂縫均未到底，左線仰拱填充結(jié)構(gòu)裂縫最深約82 cm，右線仰拱填充結(jié)構(gòu)裂縫最深約129 cm。隧道左線裂縫數(shù)量明顯比右線多，其裂縫分布由圖1所示。可以看出，裂縫主要出現(xiàn)在仰拱填充結(jié)構(gòu)面隧道中心線附近，并且沿隧道中心線分布，在邊墻附近未出現(xiàn)裂縫。

圖1 雪峰山隧道進(jìn)口段左、右線仰拱填充層頂面裂縫分布

4 圍巖滲流場特征

4.1 地形條件

圖2為某隧道進(jìn)口段地表情況，由圖2可知，地形明顯存在一定坡度。另外，隧道DK300+850～DK301+300段位于低山地段，線路右側(cè)為一沖溝，2007年，當(dāng)?shù)匦藿ㄋ鄰S填平了該沖溝，一定程度上改變了原有的地形地貌，地表徑流發(fā)生變化，提高了地下水位，使圍巖含水量增加，地質(zhì)條件惡化，原有滲流場也相應(yīng)發(fā)生改變。

圖2 隧道進(jìn)口段地表情況

4.2 圍巖初始滲流場

選取隧道進(jìn)口段DK301+230橫斷面為滲流計算斷面，模擬分析隧道初始滲流場及隧道開挖、支護(hù)等過程中圍巖滲流場特征，計算模型網(wǎng)格如圖3所示。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，計算參數(shù)取值如下:圍巖滲透系數(shù)km=1×10-6cm/s，仰拱填充結(jié)構(gòu)滲透系數(shù) km=1×10-10cm/s。由于在邊墻及拱部襯砌背后設(shè)置盲管+無紡布+防水板的地下水排導(dǎo)系統(tǒng)，考慮地下水排導(dǎo)系統(tǒng)能滿足排水要求，作用在襯砌背后的水頭近似為0，考慮到初支存在一定透水性，但又有一定的阻水作用，取其滲透系數(shù)為 kl=1×10-7cm/s。

圖3 計算模型網(wǎng)格

另外，根據(jù)鉆孔地質(zhì)勘察資料［10］，地下水位范圍1.4～1.7 m，因此，計算中統(tǒng)一取地下水埋深為2.0 m，在模型兩邊施加靜水壓力邊界，按式(1)確定，襯砌內(nèi)水壓力邊界為p=0，沿隧道軸線方向取單位長度。

式中，H 為埋深，m;γw為水的容重，kN/m3。

圖4為圍巖初始孔隙水壓力等值線圖，由圖4可以看出，地表不平坦會導(dǎo)致左右線隧道位置初始地下水水頭高度不一致，左線隧道拱頂位置地下水水頭為50.8 m，右線隧道拱頂位置地下水水頭為48.2 m?？梢姡匦纹露仍谝欢ǔ潭扔绊懰淼莱跏妓^高度。

圖4 圍巖初始孔隙水壓力等值線

4.3 隧道開挖對圍巖滲流場的影響

圖5(a)為右線隧道開挖支護(hù)后圍巖孔隙水壓力等值線圖，圖5(b)為右、左線隧道均開挖支護(hù)后圍巖孔隙水壓力等值線圖。由圖可以看出，隧道開挖后，開挖面滲水會改變圍巖局部滲流場，如果保持隧道排導(dǎo)系統(tǒng)正常工作，那么會降低地下水位，但是，當(dāng)雨季來臨或地表水補(bǔ)充充分時仍然會導(dǎo)致地下水位進(jìn)一步上升。

從圖5(b)還可以看出，右、左線隧道均開挖支護(hù)后，作用在右、左線隧道上的地下水位仍然有一定的差別，顯然，作用在左線隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的水頭值要大于作用在右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的水頭值。

根據(jù)勘察資料及復(fù)合式襯砌水壓力原理［11，12］，通過計算可知，作用左線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.235 MPa，而作用在右線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.207 MPa，可見，作用在左線隧道仰拱中心底部的最大水壓力比作用在右線隧道仰拱中心底部的最大水壓力約大12%。

圖5 隧道開挖支護(hù)后圍巖孔隙水壓力等值線

5 左右線襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)上述滲流場計算結(jié)果，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力分布規(guī)律如圖6所示。計算時考慮水壓力與圍巖壓力的共同作用，圍巖壓力根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［13］確定，水平圍巖壓力分別取不同側(cè)壓力系數(shù)，計算模型采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型。計算中，拱墻及仰拱為C35鋼筋混凝土，彈性模量取32.25 GPa，仰拱填充結(jié)構(gòu)為C20混凝土，彈性模量取28 GPa，襯砌厚度取50 cm。Ⅳ級圍巖，圍巖重度取22 kN/m3，彈性反力系數(shù)取200 MPa/m;Ⅴ級圍巖，圍巖重度取20 kN/m3，彈性反力系數(shù)取100 MPa/m。

圖6 左、右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)上水壓力分布規(guī)律(單位:MPa)

圖7、圖8為不同工況下左、右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分布圖，表1為不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)極值匯總表。從圖7、圖8及表1可以看出，最大主應(yīng)力極值均出現(xiàn)在仰拱填充層頂面中心線附近，為拉應(yīng)力，而最小主應(yīng)力極值均出現(xiàn)在邊墻墻腳附近，為壓應(yīng)力。在不同計算工況下，隧道左線仰拱填充結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力極值均大于C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度值1.7 MPa，而隧道右線仰拱填充結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力極值稍大于C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度值，隧道右線仰拱填充結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于混凝土拉裂的臨界狀態(tài)。這說明雪峰山隧道進(jìn)口段左、右線隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂程度不同主要是由于其應(yīng)力狀態(tài)不同造成的，相比而言，隧道左線仰拱填充結(jié)構(gòu)的最大主力極值要大于隧道右線仰拱填充結(jié)構(gòu)的最大主力極值，兩者分別大于或稍大于仰拱填充材料C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。從而出現(xiàn)左線隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)拉張裂縫較多，而右線隧道 仰拱填充結(jié)構(gòu)拉張裂縫較少的現(xiàn)象。

圖7 左、右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)對比圖(Ⅳ級圍巖、側(cè)壓力系數(shù)0.3)

圖8 左、右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)對比圖(Ⅴ級圍巖、側(cè)壓力系數(shù)0.3)

表1 不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值匯總 MPa

另外，由圖7、圖8及表1可知，在不同計算工況下，襯砌結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于拱墻及仰拱的C35鋼筋混凝土允許壓力值13.0 MPa和極限抗拉強(qiáng)度值30.0 MPa。因此，襯砌結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。

綜合上述分析可知，左線隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂程度會比右線隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的現(xiàn)象，主要是由于地表存在一定坡度，導(dǎo)致左、右線隧道所處位置地下水頭值有所不同，導(dǎo)致作用在左線隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的水頭值要大于作用在右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的水頭值。同時，隧道仰拱不設(shè)任何地下水排導(dǎo)系統(tǒng)，而在隧道邊墻及拱部設(shè)計了盲管+無紡布+防水板的排導(dǎo)系統(tǒng)，從而使作用邊墻與拱部的水壓力近似為0，作用在仰拱底部的水壓力較大。在圍巖壓力與仰拱水壓力的共同作用下，會導(dǎo)致仰拱填充結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉張裂縫，且左線填充結(jié)構(gòu)裂縫多于右線填充結(jié)構(gòu)裂縫。

6 結(jié)論

根據(jù)隧道進(jìn)口段地形因素、地下水水頭等情況，考慮土壓力與水壓力共同作用，對隧道進(jìn)口段左、右線仰拱填充結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論。

(1)地表不平坦會導(dǎo)致左、右隧道位置初始地下水水頭高度不一致，左線隧道拱頂位置地下水水頭為50.8 m，右線隧道拱頂位置地下水水頭為48.2 m;作用在左線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.235 MPa，作用在右線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.207 MPa。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力極值均出現(xiàn)在仰拱填充層頂面中心線附近，為拉應(yīng)力，而最小主應(yīng)力極值均出現(xiàn)在邊墻墻腳附近，為壓應(yīng)力。

(3)計算結(jié)果表明:左線隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力極值均大于C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度值1.7 MPa，而右線隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力極值稍大于C20混凝土的極限抗拉強(qiáng)度值，右線隧道仰拱填充結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于混凝土拉裂的臨界狀態(tài)。在圍巖壓力與仰拱水壓力共同作用下，會導(dǎo)致仰拱填充結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，且左線填充結(jié)構(gòu)裂縫多于右線隧道填充結(jié)構(gòu)裂縫的現(xiàn)象。

［1］ 肖林萍，趙玉光，申玉生.雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式及圍巖穩(wěn)定性模型試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(23):4346-4351.

［2］ 朱永全，張素敏，張彥兵，等.隧道襯砌結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的概念及室內(nèi)試驗研究［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，1997(10):1-6.

［3］ 程樺，孫鈞，呂淵.軟弱圍巖復(fù)合式隧道襯砌模型試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1997，16(2):162-170.

［4］ 潘洪科，楊林德，黃慷.公路隧道偏壓效應(yīng)與襯砌裂縫的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(18):3311-3315.

［5］ 李治國.隧道巖溶處理技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(S1):36-40.

［6］ 蔣榮.湯家灣隧道病害及整治［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003(3):25-26.

［7］ 鄧國珍，王超，付國才.寶中鐵路老爺嶺隧道病害整治［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(10):96-98.

［8］ 李國英.巖溶地區(qū)隧道仰拱開裂的整治［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(1):68-71.

［9］ 盧永成.對混凝土拱涵開裂的幾點(diǎn)看法［J］.鐵道建筑，1993(1):12-14.

［10］中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.新建向莆鐵路雪峰山隧道進(jìn)口段施工補(bǔ)勘［Z］.武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2011.

［11］ 鄭波.隧道襯砌水壓力荷載的實用化計算研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

［12］ 鄭波，王建宇，吳劍.基于等效滲透系數(shù)計算襯砌水壓力方法研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，48(6):43-46.

［13］ 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

Analysis on Crack Damage Difference of Filling Structure at a Tunnel Invert

WANG Han-sheng1，LU Hong-qiang1，ZHENG Bo2
(1.China Railway 18 Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin，300222，China;2.Southwest Research Institute Co.，Ltd.of C.R.E.C.，Chengdu 611731，China)

A large number of cracks once appeared on the filling structure of the invert at the entrance region of a tunnel in the construction period，and the crack number of the left line was obviously more than that of the right line.Through field investigation，it was found that there was a certain gradient slope of ground surface at the tunnel entrance region and the left side was higher than the right side，thus it generated a ground water head difference between the left line and the right line of the tunnel to a certain degree.Then the results of the calculation on the seepage field of the surrounding rock showed that:the maximum value of water pressure acting on the center of the invert of the left line tunnel was 0.235 MPa，and in the right line tunnel it was 0.207 MPa，so the former was greater than the latter about 12%.Furthermore，the results of stress calculation on the lining structure showed that:the maximum principal stress value of the filling structure of the left line invert was greater than that of the right line invert，and both were greater than or slightly larger than the ultimate tensile strength of C20 concrete which was used as the filling material of the invert.So these reasons had caused a large number of cracks on the filling structure of the invert，with the phenomenon that the crack number of the left line was more than that of the right line.

railway tunnel;invert;crack damage difference;water pressure;ultimate tensile strength

U457+.2

A

1004-2954(2013)04-0092-04

2012-08-01;

2012-08-20

中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計劃課題和中鐵十八局自主立項課題資助(編號:重點(diǎn)-40-2011)

汪旵生(1970—)，男，高級工程師，E-mail:sjzc1888@163.com。