襯砌背后空洞對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析及綜合評價方法

譚林波

中國建筑第五工程局有限公司 長沙410004

引言

隨著我國越來越多的隧道投入到運營中，隧道病害的出現(xiàn)也越來越引起人們的關(guān)注。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測發(fā)現(xiàn)，實際上隧道襯砌拱頂、拱腰等區(qū)域存在不同程度的空洞。襯砌背后空洞一般由隧道施工回填不密實或地下水的腐蝕和沖刷引起，空洞是對隧道穩(wěn)定性影響較大的主要原因之一，常使襯砌受到不均勻的荷載，不能產(chǎn)生充分的地層反力，導(dǎo)致隧道建成后，伴隨出現(xiàn)不同程度的病害，比如襯砌裂損、圍巖松弛、起層、剝落、掉塊和滲漏水等，更甚者引發(fā)隧道襯砌失穩(wěn)，嚴(yán)重時會發(fā)生突發(fā)性崩塌。

因此對空洞病害評定需要綜合各種因素考慮。本文結(jié)合工程實例主要針對襯砌空洞的不同位置分布和環(huán)向?qū)挾葘λ淼澜Y(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了有限元模擬，得出其對結(jié)構(gòu)受力特點以及變形能力的影響，以及在不同圍巖級別下，隧道頂部襯砌背后空洞對襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響。

1 隧道計算模型及其參數(shù)

某已建隧道最大寬度5.4m，最大高度6.7m，埋深12m小于高度的兩倍（13.4m），屬于淺埋隧道。隧道上方底層為人工雜填土、淤積層黏土、沖擊黏性土層。采用ANSYS軟件建立分析模型，為了簡化計算，各土層按照層厚進(jìn)行加權(quán)平均，對于計算邊界取左右5～6倍隧道寬度，下邊取5～6倍隧道高度，最終計算模型如圖1所示。對于荷載條件，考慮土體自重，以及超重荷載20kN/m2。對于位移邊界，左右邊界施加水平方向的約束，下邊界施加豎直方向的約束，上邊界為地面自由邊界。地層模型為Ⅳ級圍巖，彈性模量為5GPa，泊松比為0.32，容重為22kN/m3。

圖1 計算模型網(wǎng)格劃分示意Fig.1 Schematic diagram of computational model meshing

計算模型采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型，圍巖以plane42單元模擬，混凝土襯砌以Beam3單元模擬。假定空洞沿縱向長度足夠長，忽略空洞沿隧道縱向方向的幾何尺寸對隧道平面的影響，用平面應(yīng)變的方法來模擬襯砌背后空洞對襯砌與圍巖相互作用。矩形與弧形空洞對應(yīng)力重分布的影響基本相同［5］，本文采用矩形模擬空洞的影響，如圖2所示。同時采用較好模擬巖土力學(xué)的Druker-Prager準(zhǔn)則。為了反映圍巖與襯砌之間的真實作用情況，采用接觸單元TARGE169、CONTA171兩種二維單元，考慮兩種材質(zhì)的差別，將圍巖作為變形體，考慮使存在于空洞區(qū)域圍巖表面的接觸單元失效，來模擬空洞對圍巖壓力分布規(guī)律的影響。

圖2 存在空洞的隧道計算模型橫剖面Fig.2 Tunnel calculation model with voids

2 計算結(jié)果及分析

2.1 空洞尺寸及位置對拱頂位移的影響

從圖3模擬結(jié)果可以看出，不同位置的空洞對隧道頂點的位移值影響程度不一樣。拱頂襯砌背后存在空洞對頂點結(jié)構(gòu)位移影響顯著，并且隨拱頂環(huán)向空洞尺寸的增大，拱頂?shù)奈灰葡乱膊粩鄿p少，其下降趨勢在空洞尺寸為0～0.3m時下降比較平緩，在空洞尺寸為0.5m～1.2m時下降呈線性，在空洞尺寸大于1.5m后下降趨勢加劇，呈拋物線狀。拱頂空洞時，拱頂位移減少是由于拱頂空洞的存在，襯砌失去背面的約束，在原有圍巖壓力作用下，襯砌在拱頂位置產(chǎn)生向上的回彈，從而拱頂位移減少。而拱腰處空洞對頂點位移大小影響不大，略微有增大趨勢，增大不明顯。仰拱處存在空洞時，其頂點位移基本沒有變化。

圖3 襯砌頂點位移隨空洞變化曲線Fig.3 Varying curve of lining vertex displacement with cavity

2.2 空洞尺寸及位置對襯砌內(nèi)力的影響

圖4～圖6分別為襯砌在拱頂、拱腰、仰拱處內(nèi)側(cè)受拉的最大彎矩值隨襯砌背后空洞尺寸、位置的變化曲線。從圖中可以看出：

（1）在拱頂中間存在空洞時，襯砌拱頂處的彎矩隨著空洞的環(huán)向尺寸的擴(kuò)大而不斷的增大。當(dāng)空洞尺寸小于0.3m時，拱頂彎矩增加較少；當(dāng)空洞尺寸在0.3m～1.2m時，拱頂彎矩值呈緩慢線性增加；當(dāng)空洞尺寸大于1.2m時，拱頂彎矩呈線性迅速增加。而在拱腰，仰拱處內(nèi)側(cè)受拉最大彎矩略有變化。

（2）襯砌拱腰墻中點處存在空洞時，隨著襯砌背后空洞環(huán)向尺寸的增加，拱腰處襯砌內(nèi)側(cè)受拉彎矩剛開始變化緩慢而后逐漸增加。當(dāng)空洞尺寸小于0.4m時，拱腰彎矩基本未變；當(dāng)空洞尺寸在0.4m～1.2m時，拱腰彎矩值呈緩慢增加；當(dāng)空洞尺寸大于1.2m時，拱腰彎矩呈線性迅速增加的趨勢。而在拱頂、仰拱處內(nèi)側(cè)受拉最大彎矩隨著拱腰處空洞尺寸的增大變化微小。

（3）襯砌仰拱中點處存在空洞時，隨著襯砌背后空洞環(huán)向尺寸的增加，仰拱處襯砌內(nèi)側(cè)受拉彎矩剛開始緩慢增加而后迅速增加。當(dāng)空洞尺寸小于0.6m時，仰拱彎矩增加很??；當(dāng)空洞尺寸在0.6m～1.4m時，仰拱彎矩值呈緩慢增加；當(dāng)空洞尺寸大于1.5m時，仰拱彎矩呈線性迅速增加的趨勢。而在拱頂、拱腰處內(nèi)側(cè)受拉最大彎矩隨著拱腰處空洞尺寸的增大變化甚微。

圖4 襯砌拱頂彎矩隨空洞變化曲線Fig.4 Variation curve of lining vault bending moment with cavity position

圖5 襯砌拱腰彎矩隨空洞變化曲線Fig.5 Variation curve of lining arch waist bending moment with cavity position

圖6 襯砌仰拱彎矩隨空洞變化曲線Fig.6 Variation curve of lining invert bending moment with cavity position

2.3 不同圍巖等級下拱頂空洞的影響

圍巖等級的計算參數(shù)見表1，主要依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003—2016）中對各級圍巖物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗取值。在拱頂存在著沿環(huán)向1.2m大小的空洞時，拱頂位移及襯砌內(nèi)力如圖7、圖8所示。

表1 不同圍巖級別參數(shù)Tab.1 Parameters of different surrounding rock levels

圖7 在拱頂空洞下不同圍巖等級拱頂位移變化曲線Fig.7 Curves of vault displacement changes of different surrounding rock grades under the vault cavity

圖8 在拱頂空洞下不同圍巖等級襯砌彎矩變化曲線Fig.8 Variation curve of bending moment of lining with different surrounding rock grades under the vault cavity

從圖中可以看出，Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級圍巖下，在拱頂存在空洞時，其拱頂位移變化平緩，Ⅳ級、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖下，拱頂位移隨著圍巖級別的增加而逐漸增大。Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級圍巖下，在拱頂存在空洞時，其拱頂、拱腰、仰拱處內(nèi)側(cè)受拉最大彎矩值平緩增加，Ⅳ級、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖下，拱腰、仰拱處內(nèi)側(cè)受拉最大彎矩值隨著圍巖級別的增加而迅速增大，拱頂處彎矩值相比Ⅰ級～Ⅲ級圍巖略微增大并且趨于平緩，在Ⅵ級圍巖下其拱頂彎矩值有所下降。

由此可知，總體上Ⅰ級～Ⅲ級圍巖穩(wěn)定性較好；Ⅳ級、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖其穩(wěn)定性逐漸依次變差。在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖情況下，拱頂彎矩不再受圍巖等級的影響，其受圍巖尺寸的影響較大。

3 綜合評價方法

本文綜合考慮襯砌背后空洞及其他因素對鐵路隧道結(jié)構(gòu)的影響［5］，提出對鐵路隧道影響評價劃分為A輕微、B較嚴(yán)重、C嚴(yán)重、D特別嚴(yán)重四個等級，劃分見表2、表3。根據(jù)隧道襯砌空洞及其他因素，應(yīng)按表格中嚴(yán)重程度最高的結(jié)果評定其等級。

表2 不同等級劃分Tab.2 Definition of different levels

表3 空洞對隧道健康狀態(tài)綜合評定標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Comprehensive evaluation standard of cavity on tunnel health

襯砌空洞等級為A時，需定期重點檢查空洞及襯砌內(nèi)力、裂縫的發(fā)展趨勢；當(dāng)為等級B時，需定期監(jiān)測空洞及襯砌內(nèi)力、裂縫的發(fā)展趨勢，必要時采取加固措施，若伴有滲漏水時，應(yīng)及時進(jìn)行防排水及補(bǔ)漿；當(dāng)為等級C時，并伴有較嚴(yán)重開裂或滲漏水時，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，及早采取注漿、補(bǔ)強(qiáng)及防排水措施；當(dāng)為等級D時，并伴有嚴(yán)重變形及貫穿裂縫時，應(yīng)立即采取補(bǔ)強(qiáng)、套襯、全斷面改建等加固措施。

4 結(jié)論與建議

1.襯砌背后空洞尺寸越大，襯砌受力越不利，其空洞附近接觸范圍內(nèi)的襯砌剪力及受拉受壓彎矩都將增大，尤其是拱頂存在空洞時，拱頂附近襯砌在較大彎矩、剪力作用下容易出現(xiàn)裂縫，形成掉塊等潛在危險，危及隧道安全及人的生命安全。

2.不同位置空洞對結(jié)構(gòu)不同位置的影響程度不同。如當(dāng)拱頂背后存在空洞時，拱頂范圍內(nèi)內(nèi)力變化很大，而對拱腰、仰拱處襯砌內(nèi)力有略微的影響。后期運營中對隧道的監(jiān)測可以根據(jù)空洞位置，重點監(jiān)測相應(yīng)變形較大部位。

3.圍巖等級越差，空洞尺寸對襯砌內(nèi)力的影響越明顯，拱腳處越容易形成內(nèi)力集中。而且圍巖等級越差，襯砌的內(nèi)力也迅速增加。因此在Ⅳ級、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖下尤要重視襯砌背后空洞對襯砌穩(wěn)定性的影響。

4.為保證鐵路隧道運營期的結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)根據(jù)劃分的不同等級進(jìn)行預(yù)防和治理。