譚林波

中國(guó)建筑第五工程局有限公司 長(zhǎng)沙410004

引言

隨著我國(guó)越來(lái)越多的隧道投入到運(yùn)營(yíng)中，隧道病害的出現(xiàn)也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)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(shí)或地下水的腐蝕和沖刷引起，空洞是對(duì)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(shí)會(huì)發(fā)生突發(fā)性崩塌。

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

1 隧道計(jì)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(jiǎn)化計(jì)算，各土層按照層厚進(jìn)行加權(quán)平均，對(duì)于計(jì)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(jì)算模型如圖1所示。對(duì)于荷載條件，考慮土體自重，以及超重荷載20kN/m2。對(duì)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(jí)圍巖，彈性模量為5GPa，泊松比為0.32，容重為22kN/m3。

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

計(jì)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(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，忽略空洞沿隧道縱向方向的幾何尺寸對(duì)隧道平面的影響，用平面應(yīng)變的方法來(lái)模擬襯砌背后空洞對(duì)襯砌與圍巖相互作用。矩形與弧形空洞對(duì)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(shí)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(shí)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(lái)模擬空洞對(duì)圍巖壓力分布規(guī)律的影響。

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

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 空洞尺寸及位置對(duì)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(duì)隧道頂點(diǎn)的位移值影響程度不一樣。拱頂襯砌背后存在空洞對(duì)頂點(diǎn)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(shì)在空洞尺寸為0～0.3m時(shí)下降比較平緩，在空洞尺寸為0.5m～1.2m時(shí)下降呈線性，在空洞尺寸大于1.5m后下降趨勢(shì)加劇，呈拋物線狀。拱頂空洞時(shí)，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(duì)頂點(diǎn)位移大小影響不大，略微有增大趨勢(shì)，增大不明顯。仰拱處存在空洞時(shí)，其頂點(diǎn)位移基本沒(méi)有變化。

圖3 襯砌頂點(diǎn)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(duì)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(shí)，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(shí)，拱頂彎矩增加較少；當(dāng)空洞尺寸在0.3m～1.2m時(shí)，拱頂彎矩值呈緩慢線性增加；當(dāng)空洞尺寸大于1.2m時(shí)，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(diǎn)處存在空洞時(shí)，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(kāi)始變化緩慢而后逐漸增加。當(dāng)空洞尺寸小于0.4m時(shí)，拱腰彎矩基本未變；當(dāng)空洞尺寸在0.4m～1.2m時(shí)，拱腰彎矩值呈緩慢增加；當(dāng)空洞尺寸大于1.2m時(shí)，拱腰彎矩呈線性迅速增加的趨勢(shì)。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(diǎn)處存在空洞時(shí)，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(kāi)始緩慢增加而后迅速增加。當(dāng)空洞尺寸小于0.6m時(shí)，仰拱彎矩增加很??；當(dāng)空洞尺寸在0.6m～1.4m時(shí)，仰拱彎矩值呈緩慢增加；當(dāng)空洞尺寸大于1.5m時(shí)，仰拱彎矩呈線性迅速增加的趨勢(shì)。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(jí)下拱頂空洞的影響

圍巖等級(jí)的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，主要依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）中對(duì)各級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值。在拱頂存在著沿環(huán)向1.2m大小的空洞時(shí)，拱頂位移及襯砌內(nèi)力如圖7、圖8所示。

表1 不同圍巖級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖下，在拱頂存在空洞時(shí)，其拱頂位移變化平緩，Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)圍巖下，拱頂位移隨著圍巖級(jí)別的增加而逐漸增大。Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖下，在拱頂存在空洞時(shí)，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(jí)、Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)圍巖下，拱腰、仰拱處內(nèi)側(cè)受拉最大彎矩值隨著圍巖級(jí)別的增加而迅速增大，拱頂處彎矩值相比Ⅰ級(jí)～Ⅲ級(jí)圍巖略微增大并且趨于平緩，在Ⅵ級(jí)圍巖下其拱頂彎矩值有所下降。

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

3 綜合評(píng)價(jià)方法

本文綜合考慮襯砌背后空洞及其他因素對(duì)鐵路隧道結(jié)構(gòu)的影響［5］，提出對(duì)鐵路隧道影響評(píng)價(jià)劃分為A輕微、B較嚴(yán)重、C嚴(yán)重、D特別嚴(yán)重四個(gè)等級(jí)，劃分見(jiàn)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(píng)定其等級(jí)。

表2 不同等級(jí)劃分Tab.2 Definition of different levels

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

襯砌空洞等級(jí)為A時(shí)，需定期重點(diǎn)檢查空洞及襯砌內(nèi)力、裂縫的發(fā)展趨勢(shì)；當(dāng)為等級(jí)B時(shí)，需定期監(jiān)測(cè)空洞及襯砌內(nèi)力、裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，必要時(shí)采取加固措施，若伴有滲漏水時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行防排水及補(bǔ)漿；當(dāng)為等級(jí)C時(shí)，并伴有較嚴(yán)重開(kāi)裂或滲漏水時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及早采取注漿、補(bǔ)強(qiáng)及防排水措施；當(dāng)為等級(jí)D時(shí)，并伴有嚴(yán)重變形及貫穿裂縫時(shí)，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(shí)，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(xiǎn)，危及隧道安全及人的生命安全。

2.不同位置空洞對(duì)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(shí)，拱頂范圍內(nèi)內(nèi)力變化很大，而對(duì)拱腰、仰拱處襯砌內(nèi)力有略微的影響。后期運(yùn)營(yíng)中對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)可以根據(jù)空洞位置，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)相應(yīng)變形較大部位。

3.圍巖等級(jí)越差，空洞尺寸對(duì)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(jí)越差，襯砌的內(nèi)力也迅速增加。因此在Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)圍巖下尤要重視襯砌背后空洞對(duì)襯砌穩(wěn)定性的影響。

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