基于數(shù)值分析的隧道襯砌病害檢測(cè)技術(shù)研究

覃成科

摘要：在高速公路隧道質(zhì)量控制中，隧道襯砌質(zhì)量常常因其隱蔽性，而難以做到直觀有效的檢測(cè)?，F(xiàn)階段，關(guān)于隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、聲波探測(cè)、回彈檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法的應(yīng)用方面，而關(guān)于檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的襯砌質(zhì)量缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響方面的研究較少。文章依托工程實(shí)踐，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的病害分布信息，采用MIDASGTSNX有限元數(shù)值模擬手段，建立荷載-結(jié)構(gòu)法的二維平面模型，研究不同脫空位置對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力對(duì)拱腰部位的襯砌脫空最敏感，當(dāng)脫空尺寸達(dá)0.2m（高）×1m（長(zhǎng)）時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最大vonMises應(yīng)力位置發(fā)生變化，應(yīng)力增幅達(dá)58%，從而為有效指導(dǎo)工程實(shí)踐提供了數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)探索雷達(dá)檢測(cè)與數(shù)值分析相結(jié)合的手段在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用，可為類似檢測(cè)工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);MIDASGTSNX;有限元數(shù)值分析;襯砌脫空;公路隧道

0 引言

隨著我國(guó)公路隧道建設(shè)的迅猛發(fā)展，隧道襯砌質(zhì)量的控制面臨巨大挑戰(zhàn)。由于隧道襯砌施工具有隱蔽性，導(dǎo)致其對(duì)檢測(cè)手段的要求越來(lái)越高。當(dāng)前對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的方法主要是無(wú)損檢測(cè)方法，包括地質(zhì)雷達(dá)法、聲波探測(cè)法、回彈檢測(cè)法等。其中，地質(zhì)雷達(dá)法作為隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)的主要無(wú)損檢測(cè)手段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，且取得了顯著效果[1-4]，而關(guān)于隧道襯砌質(zhì)量缺陷對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響方面的研究相對(duì)較少[5-7]，將地質(zhì)雷達(dá)與數(shù)值分析相結(jié)合的手段應(yīng)用至工程檢測(cè)中的研究則更少。

本文依托板可隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量，并借助MIDASGTSNX有限元分析軟件，采用荷載-結(jié)構(gòu)法，建立隧道典型病害斷面的二維有限元模型，研究了隧道襯砌不同脫空位置及其組合對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，從而有效指導(dǎo)工程實(shí)踐。本工程采用的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)與數(shù)值分析相結(jié)合的手段，可為類似檢測(cè)項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

板可隧道為上下分離式四車道高速公路長(zhǎng)隧道，位于廣西壯族自治區(qū)百色市平果縣境內(nèi)。隧道上行線長(zhǎng)2175m，施工樁號(hào)為YK427+407～YK429+582;下行線長(zhǎng)2180m，施工樁號(hào)為KZ428+930～KZ429+590。養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行日常巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，在隧道上行線YK429+050～YK429+095區(qū)段，發(fā)生較嚴(yán)重的襯砌滲漏水病害。該區(qū)段隧道主要穿越中風(fēng)化灰?guī)r地帶，該地帶巖石堅(jiān)硬，受斷層的影響，局部裂隙可能存在大斷層。該區(qū)段設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)圍巖，襯砌設(shè)計(jì)斷面為S4-B，如圖1所示。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

2.1 測(cè)線布置

本次檢測(cè)采用瑞典MALACUII型地質(zhì)雷達(dá)，配500M天線，分別在左邊墻、左拱腰、拱頂、右邊墻、右拱腰布置5條測(cè)線，測(cè)線布置如圖2所示。其中左、右邊墻離地面高約2.0m，左、右拱腰離地面高約5.0m，拱頂測(cè)線離地面高約7.0m。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

板可隧道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面如圖3所示。由雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可知，板可隧道上行線YK429+040～YK429+095區(qū)段襯砌整體狀況較好，支護(hù)（襯砌）背后主要缺陷是局部二襯脫空或膠結(jié)不密實(shí)，具體缺陷情況如下頁(yè)表1所示。

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可知，板可隧道襯砌主要病害是脫空或膠結(jié)不密實(shí)，且主要發(fā)生在拱頂和拱腰位置，脫空部位襯砌厚度約0.2m。為分析襯砌局部脫空對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響，本文采用MIDASGTSNX有限元分析軟件對(duì)隧道襯砌受力情況進(jìn)行分析。

隧道襯砌受力數(shù)值模型如圖4所示，局部脫空模擬如圖5所示。采用荷載-結(jié)構(gòu)法建立模型，其中隧道初期支護(hù)和二次襯砌均采用平面應(yīng)力單元模擬，二者之間的接觸采用節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行模擬，初期支護(hù)與圍巖之間的作用力采用曲面彈簧模擬。模型參數(shù)取值如表2所示。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》（JTG3370.1-2018），深埋隧道四級(jí)圍壓的垂直均布?jí)毫退骄級(jí)毫Ψ謩e以式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。

3.2 分析工況

本次分析共設(shè)置五種工況，其中局部脫空尺寸統(tǒng)一設(shè)置為0.2m（高）×2m（長(zhǎng)），具體工況如下：

工況一：無(wú)脫空;

工況二：拱頂脫空;

工況三：右拱腰脫空;

工況四：拱頂+右拱腰脫空;

工況五：拱頂+左拱腰+右拱腰脫空。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過(guò)進(jìn)行有限元數(shù)值分析，對(duì)應(yīng)各分析工況的二次襯砌結(jié)構(gòu)vonmises應(yīng)力如圖6～10所示。其中，圖6為無(wú)脫空工況，圖7為拱頂脫空工況，圖8為右拱腰脫空工況，圖9為拱頂+右拱腰脫空工況，圖10為拱頂+左拱腰+右拱腰脫空工況。

（1）由圖6可知，當(dāng)襯砌無(wú)脫空時(shí)，二次襯砌的最大vonmises應(yīng)力位于兩側(cè)邊墻位置，大小為12.43MPa。

（2）由圖7可知，當(dāng)拱頂存在脫空時(shí)，二次襯砌的最大vonmises應(yīng)力仍然位于兩側(cè)邊墻位置，大小為12.40MPa，可見(jiàn)拱頂脫空對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力影響范圍較小。

（3）由圖8可知，當(dāng)右拱腰存在脫空時(shí)，二次襯砌的最大vonmises應(yīng)力位于右拱腰脫空位置，大小為19.74MPa，相比無(wú)脫空工況，增大了約58.8%。

（4）由圖9可知，當(dāng)拱頂和右拱腰同時(shí)存在脫空時(shí)，二次襯砌的最大vonmises應(yīng)力位于右拱腰脫空位置，大小為19.62MPa，相比無(wú)脫空工況，增大了約57.8%。

（5）由圖10可知，當(dāng)拱頂、左拱腰、右拱腰同時(shí)存在脫空時(shí)，二次襯砌的最大vonmises應(yīng)力位于左、右拱腰脫空位置，大小為19.60MPa，相比無(wú)脫空工況，增大了約57.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)板可隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)，并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）拱頂位置脫空對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力影響較小，主要影響脫空部位的襯砌混凝土受力。

（2）拱腰位置脫空將顯著影響襯砌結(jié)構(gòu)整體受力，襯砌最大vonmises應(yīng)力由邊墻位置轉(zhuǎn)移至拱腰脫空位置，且當(dāng)脫空尺寸達(dá)0.2m（高）×2m（長(zhǎng)）時(shí)，最大vonmises應(yīng)力增加約58.8%。

（3）隧道襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)拱腰部位的脫空最敏感，在隧道日常養(yǎng)護(hù)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱腰部位病害的檢查，發(fā)現(xiàn)襯砌產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)工作。

在對(duì)板可隧道進(jìn)行檢測(cè)的項(xiàng)目中，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和數(shù)值分析的手段，為病害的影響程度及后期處治方案設(shè)計(jì)提供了直觀的數(shù)據(jù)支撐，可為類似工程提供參考。

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