分析高水壓下襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)受力的影響

朱宗軍

摘要：在我國交通行業(yè)的工程建設中，襯砌這一永久性支護結(jié)構(gòu)不僅能夠有效保證高速公路以及鐵路等交通方式的運行安全，還能夠?qū)φ麄€隧道的使用壽命和期限產(chǎn)生最直接的影響。背后空洞是襯砌在使用過程中比較常見的一種病害故障，本文以隧道襯砌的背后空洞現(xiàn)象為主要研究對象，著重對高水壓下襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響進行分析，旨在通過保證襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性來促進我國交通行業(yè)的進一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：背后空洞;隧道襯砌;高水壓

前言：交通行業(yè)在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，無論是城市之間的經(jīng)濟聯(lián)系、企業(yè)之間的貨物運輸還是人們的日常出行，都需要依靠交通行業(yè)來實現(xiàn)。也正是因為這種原因，現(xiàn)階段交通工程的建設質(zhì)量越來越受到人們的關(guān)注。隧道襯砌主要應用于我國的高速公路工程以及鐵路工程建設當中，要想對高水壓下襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)受力的影響進行分析，首先就要了解隧道襯砌空洞病害的成因及特點。

一、隧道襯砌

（一）隧道襯砌的具體含義

在修建高速公路以及鐵路等交通工程的過程中會涉及到一些地形地勢比較復雜的地區(qū)，而為了保證道路工程的修建能夠滿足交通運輸以及經(jīng)濟聯(lián)系的需求，通常會在這些地勢條件比較復雜的地區(qū)修建隧道來實現(xiàn)道路的建設。而在這個過程中，隧道襯砌作為能夠有效支撐隧道的空間，并保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)物，是需要在整個隧道工程的施工建設過程中重點注意的。在實際修建隧道襯砌的過程中需要滿足強度、耐久性、抗凍、抗?jié)B以及抗腐蝕性等方面的具體要求[1]。

（二）隧道襯砌背后空洞產(chǎn)生的主要原因

在實際的施工過程中，襯砌容易因為一些因素的影響而產(chǎn)生裂損的情況，這種情況也被稱為背后空洞。而造成襯砌容易出現(xiàn)背后空洞的主要原因主要體現(xiàn)在混凝土收縮、混凝土澆筑期間技術(shù)使用不當以及采用的地壓理論及計算方法不符合實際三個方面[2]。隧道襯砌主要是以混凝土作為主要的施工原料的，在實際施工的過程中為了減少因背后空洞的產(chǎn)生而對隧道的整體質(zhì)量產(chǎn)生影響，就需要對混凝土的澆筑過程進行更加嚴格的管理和控制。

（三）隧道襯砌背后空洞的病害特點

背后空洞的特點主要包括三個方面，空洞出現(xiàn)的因素多種多樣、成因不確定以及空洞引起的襯砌破壞具有發(fā)展性。我國不同地區(qū)的地形地勢存在著一定的區(qū)別，對于不同地區(qū)的隧道襯砌來說，由于其受到的各種外力因素以及人為因素的影響而導致的空洞的出現(xiàn)原因呈現(xiàn)出多樣性的特點。而由于空洞的出現(xiàn)本身就會破壞隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，如果不能夠及時對空洞采取補救的措施，就會使得襯砌破壞的范圍逐漸擴大。

二、高水壓下襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響具體分析

隧道襯砌本身是能夠為隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性提供保障的重要結(jié)構(gòu)物，背后空洞的病害是目前影響隧道襯砌質(zhì)量的主要病害之一。對襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響進行分析能夠為襯砌的保護以及病害治理提供一定的思路。在對高水壓下襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響進行分析時，主要可以從以下幾個方面來著手：

（一）空洞存在對圍巖應力分布產(chǎn)生的影響

圍巖應力是道路工程在實際的施工過程中經(jīng)常會存在的一種能夠?qū)Φ缆饭こ痰慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的力量數(shù)值。在無水壓的情況下，存在空洞的狀態(tài)不同會產(chǎn)生不同的圍巖最大主應力場。而當在高水壓的環(huán)境下時，由于隧道開挖以及支護的施工都會對圍巖應力的狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，在這種情況下，不同的空洞狀態(tài)也會對在無水壓情況下產(chǎn)生的不同圍巖應力場的數(shù)值產(chǎn)生一定的影響。拱頂空洞、邊墻空洞以及拱底空洞是目前最常見的三種空洞形態(tài)。

拱頂空洞對圍巖應力場的影響主要是通過對上覆荷載的傳遞路徑進行改變，進而使得空洞上覆的圍巖應力釋放出來，導致原本存在于空洞上方圍巖的豎向應力減小，向周圍以及拱底擴散。而這種空洞狀態(tài)在發(fā)展的過程中會使得邊墻區(qū)域的圍巖應力逐漸增大，對仰拱區(qū)域的應力場產(chǎn)生的影響比較小。

邊墻空洞狀態(tài)的出現(xiàn)是會對圍巖應力以及空洞區(qū)的襯砌產(chǎn)生影響最大的一種空洞形態(tài)。這種空洞在發(fā)展的過程中不僅會破壞水平應力場的分布情況，還會使得空洞區(qū)的襯砌逐漸纖細變形而使得空洞對整個隧道的影響和破壞程度逐漸增大。

拱底空洞則由于其發(fā)生空洞的位置對整個隧道的結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生較大的影響，因而也不會對整個拱部的圍巖應力場的分布產(chǎn)生影響。

（二）空洞存在對水壓的折減作用

地下水是在整個隧道進行開挖的過程中需要重點注意的會影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及質(zhì)量的因素之一。而由于襯砌在實際的施工過程中需要保證隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，因而其具有較高的抗?jié)B能力。這樣就會導致隧道在實際的施工修建過程中因為改變了地下水原本的排泄渠道而使得圍巖應力的內(nèi)滲流場也產(chǎn)生一定的變化。而在這個過程中如果出現(xiàn)了空洞，水壓在原本發(fā)生折減作用的過程中就會因折減系數(shù)的變化而對二次襯砌以及襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。而空洞的存在對水壓的折減作用也會依據(jù)不同的空洞形態(tài)而產(chǎn)生不同程度的影響。具體來說，拱頂空洞會使得空洞的拱頂、周邊拱肩、拱腰等部位的折減系數(shù)產(chǎn)生比較明顯的變化;仰拱底部的空洞則主要會使各個位置的水壓折減系數(shù)明顯減小;邊墻空洞則由于其非對稱性而導致空洞兩側(cè)對水壓產(chǎn)生的折減作用也不同。

（三）空洞位置對二襯受力的影響

空洞的出現(xiàn)和存在對整個隧道產(chǎn)生的最嚴重的影響就是會通過影響圍巖應力來使得襯砌結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)變形的情況，進而影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。二次襯砌是在整個隧道施工過程中對初次支護進行混凝土模型的制作和澆筑，進而提高整個隧道襯砌的質(zhì)量的施工工序。而在二次襯砌的過程中，各種接卸設備的應用不僅能夠?qū)φ麄€施工的過程起到監(jiān)控和管理的作用，還能夠?qū)σr砌的排水系統(tǒng)以及外觀等方面起到優(yōu)化和加固的作用。而在這個過程中，空洞的存在會導致原本就在高水壓下的二次襯砌結(jié)構(gòu)中的拱頂、拱底、拱腰以及邊墻等位置受到的彎矩呈現(xiàn)出更加明顯的變化，而這種變化不僅會導致圍巖應力的變化，還會因空洞對二次襯砌中的軸力的影響而增大襯砌變形的趨勢。

而通過前面的分析也可以得知，不同的空洞形態(tài)和位置對圍巖應力以及水壓的折減作用產(chǎn)生的影響也有一定的區(qū)別，在對背后空洞的危害以及防治措施進行研究的過程中，要重點針對不同的空洞形態(tài)對隧道襯砌產(chǎn)生的影響不同來采取不同的調(diào)整和優(yōu)化措施，這樣才能夠保證隧道襯砌的質(zhì)量，進而為整個道路工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性提供保證。

結(jié)論：綜上所述，背后空洞會對整個隧道襯砌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生重要的影響。在對高水壓下襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)受力的影響進行分析之后可以得知，要想保證隧道襯砌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不僅要在施工建設的過程中對背后空洞的病害進行及時的防治，還要與不同的工程建設實際情況相結(jié)合，選擇更有利的防治方案和處理辦法。這樣才能在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時也能夠提高整個隧道的安全性。

參考文獻：

[1]車增軍.直墻式隧道襯砌背后空洞對結(jié)構(gòu)安全性影響研究[D].青島理工大學，2020.

[2]余東洋.鐵路隧道襯砌背后空洞缺陷安全性評價及處治對策研究[D].中國鐵道科學研究院，2019.