卜崇陽(yáng)

（西藏大學(xué) 西藏拉薩 850000）

1 概述

21世紀(jì)，隧道在我國(guó)交通事業(yè)的建設(shè)中發(fā)揮著尤為重要的作用，隧道建設(shè)屬于大型地下工程，地層結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致隧道在修建過(guò)程中遇到多重困難。例如，經(jīng)常由于施工過(guò)程中不可避免地存在一些誤差或者困難，致使襯砌厚度不足、襯砌背后出現(xiàn)空洞或者襯砌強(qiáng)度不足以及襯砌結(jié)構(gòu)局部開裂等現(xiàn)象。又或在隧道建成運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，地質(zhì)條件的惡化、地應(yīng)力影響也可能致使隧道襯砌背后出現(xiàn)空洞或著形成不密實(shí)等破碎圍巖的現(xiàn)象，從而給后期隧道運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)了巨大的隱患。

本文中某隧道為單洞雙線輕軌專用隧道，其里程樁號(hào)為K23+805～K28+135，隧道全長(zhǎng)4330m，在隧道的修建過(guò)程中，根據(jù)該隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，隧道內(nèi)部存在不同程度的裂縫、滲水缺陷。本文主要分析隧道襯砌出現(xiàn)裂縫對(duì)隧道安全及運(yùn)營(yíng)是否造成的必要的影響，以確保隧道安全有效的運(yùn)營(yíng)。

2 評(píng)估范圍和方法

該隧道襯砌產(chǎn)生較多裂縫，為了確保該隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運(yùn)營(yíng)安全，評(píng)估分析過(guò)程中選裂縫較嚴(yán)重且取具有代表性的區(qū)間及斷面進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)該隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告中隧道襯砌裂縫的分布情況，里程樁號(hào)為K25+315位置處縱向裂縫最長(zhǎng)達(dá)5m，K25+882位置處豎向裂縫最長(zhǎng)達(dá)9.2m，K27+449位置處環(huán)向裂縫最深且最寬。因此，本次評(píng)估范圍縱向?yàn)槔锍蘇25+290～K25+340，長(zhǎng)50m，豎向及環(huán)向分別選取樁號(hào)為K25+882、K27+449位置處斷面；對(duì)于縱向裂縫的分析，選取在K25+290～K25+340里程范圍。

本次評(píng)估方法：該隧道的安全評(píng)估主要采用有限元法進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，并根據(jù)該隧道的裂縫分布情況對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行劣化，可以得到隧道結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)該隧道的結(jié)構(gòu)安全性。

3 數(shù)值計(jì)算評(píng)估分析

本文為減小邊界效應(yīng)并保證數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，根據(jù)該隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告以及隧道的斷面設(shè)計(jì)尺寸，模型尺寸取為：模型上部地表按照實(shí)際地形尺寸取值，模型左右側(cè)和下方邊界都取距隧道邊界約3倍洞徑，隧道左右分別取40m，模型左右邊界設(shè)為X方向位移約束，地表至下邊界200m，底面約束豎向位移，下邊界設(shè)為Y方向位移約束，其余采用自由邊界。

任何結(jié)構(gòu)帶裂縫工作時(shí)，其承載能力和結(jié)構(gòu)的安全性受到了威脅。而裂縫作為隧道中常見的病害，為了模擬有限元模型建立過(guò)程中裂縫對(duì)襯砌的影響，采用折減法對(duì)隧道裂縫處襯砌彈性模量進(jìn)行折減。設(shè)隧道襯砌厚度為h，裂縫深度為h1，襯砌彈性模量為E，裂縫處襯砌折減后彈性模量為E1，E1=E（h-h1）/h。因此，襯砌出現(xiàn)裂縫后，模型建立過(guò)程中裂縫處模型彈性模量采用折減后的彈性模量E1，未出現(xiàn)裂縫處模型采用襯砌彈性模量為E。

本文采用地層結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬分析該隧道襯砌裂縫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全影響。其中豎向裂縫和縱向裂縫的計(jì)算均分為四個(gè)工況，環(huán)向裂縫為三個(gè)工況，分別對(duì)開挖前、開挖后以及有裂縫處隧道襯砌參數(shù)折減來(lái)計(jì)算分析隧道的沉降、橫向位移、應(yīng)力以及隧道襯砌的軸力、剪力、彎矩。

圖1 襯砌模型圖

圖2 襯砌裂縫選取代表的單元

為了更加清楚地反映出該隧道圍巖壓力和裂縫對(duì)既有隧道二襯結(jié)構(gòu)劣化，在隧道襯砌上選取8個(gè)單元如圖2，提取其軸力和彎矩驗(yàn)算襯砌結(jié)構(gòu)是否仍滿足要求。單元選取分別為拱頂、拱肩、拱腰、拱腳及仰拱位置。

在模型計(jì)算中采用隧道圍巖參數(shù)、隧道支護(hù)參數(shù)情況下，從隧道襯砌的受力情況來(lái)看，隧道拱頂內(nèi)側(cè)受拉，拱腰外側(cè)受拉，相對(duì)于其它位置而言，側(cè)墻的安全系數(shù)相對(duì)較小。計(jì)算結(jié)果均顯示，的圍巖壓力和劣化程度下，結(jié)構(gòu)的承載能力仍能滿足要求。

表1 ZK25+882豎向裂縫截面安全系數(shù)

表2 YK27+449環(huán)裂縫截面安全系數(shù)

分析結(jié)果表明：

表3 ZK25+315縱向裂縫處截面安全系數(shù)

（1）由于襯砌承受偏壓荷載，同時(shí)襯砌存在不同程度的裂化，造成襯砌結(jié)構(gòu)本身不同程度的不對(duì)稱，從而導(dǎo)致襯砌內(nèi)力表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，從受力情況來(lái)看，隧道拱頂內(nèi)側(cè)受拉，拱腰外側(cè)受拉，從總體看來(lái)，相對(duì)于其它位置而言，拱頂和邊墻安全系數(shù)相對(duì)較小。

（2）由于環(huán)向裂縫貫通整個(gè)截面，且襯砌厚度相對(duì)豎向和縱向位置處截面襯砌較薄，裂縫對(duì)襯砌劣化后，襯砌安全系數(shù)整體較小，但襯砌結(jié)構(gòu)仍能滿足承載能力要求。

（3）從三種工況下的計(jì)算結(jié)果可以看來(lái)，三種典型裂縫斷面條件下襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均大于規(guī)范值2.0。因此，該隧道襯砌結(jié)構(gòu)仍能滿足承載能力要求。

4 結(jié)論和建議

通過(guò)采用地層結(jié)構(gòu)法對(duì)該隧道里程樁號(hào)為K25+315位置處縱向裂縫、K25+882位置處豎向裂縫、K27+449位置處環(huán)向裂縫等典型區(qū)間隧道及代表性的模擬分析得出：

本文豎向裂縫、環(huán)向裂縫、圍巖作用以及襯砌承載力，對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生綜合影響。裂縫對(duì)襯砌劣化后，襯砌安全系數(shù)整體減小；對(duì)隧道的位移影響很小，結(jié)構(gòu)位移仍在安全范圍之內(nèi)；襯砌的劣化對(duì)隧道軸力、剪力及彎矩均有影響，但影響較??；三種典型裂縫斷面條件下襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均大于規(guī)范值2.0。因此，該隧道襯砌結(jié)構(gòu)仍能滿足承載能力要求。

本次計(jì)算結(jié)果雖滿足要求，但由于模型建立的局限性，建議對(duì)于隧道襯砌出現(xiàn)裂縫的情況，采用信息化動(dòng)態(tài)監(jiān)管；考慮隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性因素，建議對(duì)于隧道襯砌裂縫寬度小于0.2mm的段落采用防水材料對(duì)表面封閉處理；隧道結(jié)構(gòu)裂縫寬度大于0.2mm的段落采用防水材料進(jìn)行灌漿封閉或補(bǔ)強(qiáng)加固處理。