黃正勇

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，西部基礎設施發(fā)揮著重要作用，相繼修建了大量黃土地基隧道，并陸續(xù)投入使用[1]。黃土地區(qū)隧道襯砌的開裂機理和安全評估的研究具有重要意義。為評估可能出現(xiàn)的材料劣化現(xiàn)象并檢測缺陷的出現(xiàn)，需定期針對混凝土襯砌進行檢測，已有許多學者進行隧道病害方面的研究，通過對襯砌裂縫的數(shù)量、長度，傾角和寬度以及典型裂縫的深度的進行定量分析[2-3]。孫大增[4]等人以單線鐵路隧道原位擴建工程為案例，分析不同地層條件、初始應力、計算方法等對隧道應力變化的變化規(guī)律和破壞機理，對單線隧道原位擴建的工程項目的圍巖應力變化分析起到參考作用。裘志堅[5]等人為了研究裂縫位置對盾構隧道結構的應力及變形的影響，采用擴展有限元分析方法，建立了地鐵隧道管片結構整體有限云計算模型。王富喜[6]以甘肅省某黃土隧道新建工程為案例，結合實測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬分析了濕陷性黃土隧道施工期間的變形特征，結果表明位移變化速率和累計沉降值最大位于隧洞拱頂。

本文以黃土隧道為原型，根據(jù)現(xiàn)場實測壓力數(shù)據(jù)，進行了比例為1∶10的力學加載試驗。在試驗過程中，設計了研究隧道襯砌開裂的結構力學性能測試平臺，根據(jù)模擬試驗需求可在徑向全方位精確地向襯砌模型施加不同的荷載，為隧道襯砌開裂的分析和預防提供參考。

1 工程背景

某隧道位于工程區(qū)所在地層巖性為黃土，上層黃土為自重濕陷性黃土，顏色為棕褐色，局部結構松散，層理和柱狀節(jié)理發(fā)育。隧道二次襯砌為鋼筋混凝土襯砌，開挖采用先拱后墻法，進尺循環(huán)為1.5m。隧道開挖過程中出現(xiàn)了地面裂縫，為縱向裂縫，基本平行于隧道軸線，分布在距離隧道軸線約25m的左右兩側。地面裂縫最早出現(xiàn)在隧道洞口的淺埋段，觀察到拱腳處的黃土先開裂，然后裂縫逐漸發(fā)展并沿一定角度向山體表面擴展。在隧道上方的地表有大面積的灌溉農業(yè)區(qū)。黃土在飽和后坍塌，導致襯砌結構上的土壓力增加，從而導致隧道襯砌開裂。

通過實地調查，分析隧道全長襯砌裂縫沿隧道軸向位置的分布，發(fā)現(xiàn)裂縫集中的路段上方的地表主要被農田覆蓋。根據(jù)襯砌裂縫的縱向分布特征，推斷農業(yè)灌溉和降水通過地表裂縫滲透，使周圍黃土含水量增加，導致土壓力增加，從而使隧道襯砌開裂。分析隧道襯砌裂縫的橫向分布特征，拱頂中的裂縫總長度遠大于側壁中的裂縫總長度。拱頂裂縫的長度分別約占上下行所有裂縫總長度的80%和70%。由于埋深和圍巖條件的變化，隧道結構沿縱斷面易發(fā)生不均勻沉降，引起側壁剪切開裂，這也是側壁襯砌裂縫大多為環(huán)向裂縫的原因。

2 試驗設計

本文設計了隧道結構力學性能試驗平臺，試驗平臺主要由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和加載系統(tǒng)3部分組成。模擬試驗過程中可以通過輸入負載值以控制10個加載單元，精確地實現(xiàn)預期負載。每個加載單元可以獨立工作，在襯砌模型上施加荷載。驅動系統(tǒng)主要由電機、齒輪泵、液壓油箱、儲能罐和電磁閥組組成。齒輪泵由電動機驅動，通過保壓閥為加載系統(tǒng)提供穩(wěn)定可控的壓力?；⌒渭虞d板的弧度與襯砌模型的弧度一致，加載板和模型表面之間放置了橡膠墊，可以確保載荷均勻分布，接觸面光滑。安裝在液壓缸上的壓力傳感器可以記錄液壓缸施加的壓力，并通過連接到壓力指示器將數(shù)據(jù)傳輸回控制系統(tǒng)。斷面內襯模型如圖1所示。在試驗過程中，根據(jù)輸入的荷載值，10個荷載單元對襯砌模型施加均勻分布的壓力。壓力傳感器實時測量壓力并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。通過壓力指示器，可以將10個加載單元的壓力值實時清晰地進行記錄，為試驗提供了操作依據(jù)。

圖1 斷面內襯模型及監(jiān)測點布置

試驗過程中，選擇的物理模型必須是原型的真實標量再現(xiàn)。本文模擬隧道襯砌的開裂，彈性模量和強度的相似比是關鍵的物理相似常數(shù)。隧道工程中襯砌結構的彈性模量、極限抗壓強度和抗拉強度分別為27.6GPa、18.3MPa和1.9MPa。根據(jù)隧道斷面的真實尺寸制作縮小比例為10∶1的模型。石膏的力學性能與混凝土相似，兩者均為泊松比約為0.2的脆性材料，其抗拉強度遠低于抗壓強度。同時，石膏易于成型和加工，可較好地模擬混凝土材料用于進行關于混凝土裂縫產生及發(fā)展的試驗。通過配合比設計，采用比例為1∶1的特種石膏和水的混合物模擬C25混凝土材料，其彈性模量、抗壓強度和抗拉強度分別為2.67GPa、1.96MPa和0.18MPa。隧道襯砌模型在試驗室環(huán)境條件下固化，直到達到設計強度后進行相關試驗。

3 試驗方案

實際隧道工程項目施工完成后，對壓力進行了定期測量。為了更真實地模擬所研究隧道實際受力條件的發(fā)展，選擇了3組具有代表性的現(xiàn)場實測壓力數(shù)據(jù)作為襯砌模型的受力工況。根據(jù)測得的壓力數(shù)據(jù)，繪制了襯砌結構的壓力曲線，確定10個加載單元施加的3組目標載荷，分別稱為荷載水平1、荷載水平2和荷載水平3。荷載水平1反映襯砌結構的初始受力條件，荷載水平2反映周圍黃土浸水對作用于襯砌結構上的荷載的影響，荷載水平3反映浸水后襯砌結構的當前受力狀態(tài)。模型試驗中3組目標載荷的加載過程對應于周圍黃土的濕陷全過程，因此本次加載試驗可以真實模擬隧道周圍黃土浸水引起的隧道實際受力狀況的發(fā)展。本試驗是在現(xiàn)場測量的基礎上，對10個加載面進行的徑向加載試驗，試對隧道結構的實際加載條件進行較真實的模擬。但隧道襯砌的實際現(xiàn)場荷載條件很復雜，在試驗過程中，加載裝置施加的法向壓力值是主要的控制指標，并且由于難以測量，沒有分析加載板和襯砌拱背之間的剪切力。

在試驗開始時，控制系統(tǒng)緩慢增加壓力，使每個加載單元與試驗模型接觸，并施加不超過極限載荷2%的預載荷。然后，在每個加載步驟中，每級荷載增加10kg，直到荷載分別達到荷載水平1、荷載水平2和荷載水平3的數(shù)值，每個加載步驟的停留時間為2分鐘，加載速率控制在0.008mm/s。10個加載單元施加的載荷持續(xù)成比例增加，直到襯砌模型失去承載能力。在試驗過程中觀察隧道襯砌結構模型的變形和開裂現(xiàn)象，觀察并記錄裂紋的發(fā)展。應變片放置在襯砌模型的內拱上，沿圓周方向排列，斷面內襯監(jiān)測點布置如圖1所示。

4 試驗結果分析

基于比例定律，將試驗測試的最終結果應用于隧道原型結構，分析隧道的力學性能、變形演化規(guī)律和破壞特征，以得出襯砌開裂的原因、規(guī)律和特征，對黃土公路隧道的設計和維護具有重要意義。根據(jù)測試結果，由于隧道周邊黃土坍塌發(fā)生在裂縫集中的局部，本文僅分析出現(xiàn)裂紋的相關位置。

4.1 應變分析

4.1.1拱形部分

拱內部監(jiān)測點的荷載-應變曲線如圖2所示。在加載初期和隧道襯砌模型出現(xiàn)裂縫之前，隨著載荷的增加，應變呈線性變化。監(jiān)測點①、②和⑩的應變?yōu)檎担砻鞅O(jiān)測點隧道襯砌內部受力為拉伸狀態(tài)。拱外部監(jiān)測點的荷載-應變曲線如圖3所示，監(jiān)測點①、②和⑩的應變均為負值，表明監(jiān)測點隧道襯砌相應的外部監(jiān)測點受力處于壓縮狀態(tài)。

圖2 拱內部監(jiān)測點的荷載-應變曲線

圖3 拱外部監(jiān)測點的荷載-應變曲線

由圖2—3可以看出，當荷載達到107.8kPa時，此時約為極限荷載的53.5%，監(jiān)測點②的應變在增加到450.6με后立即下降，此時出現(xiàn)第一條裂縫1。由張力引起的裂紋1位于拱頂?shù)膬葌取裙暗拈_裂具有能量釋放的作用，反而減輕了相應外拱的壓縮作用。由圖2可以看出，監(jiān)測點②的應變瞬間降低至200με以下，圖3的拱外側應變并沒有大幅波動。當荷載達到112.2kPa時，此時約為極限荷載的55.7%，監(jiān)測點①的應變在增加到318.6με后立即顯著下降。此時，在拱形部分監(jiān)測點①的內側出現(xiàn)了第二條裂紋，為拉伸裂紋。對比圖3，同時，相應的監(jiān)測點①處于壓縮狀態(tài)。隨著載荷的增加，裂紋2從內向外進一步擴展，拱外側監(jiān)測點①的應變有大幅波動。當載荷達到115.9kPa時，此時約為極限載荷的57.5%，出現(xiàn)第三條裂紋3，裂紋3在襯砌模型上以一定角度沿軸向從上到下發(fā)展。此外，裂縫3與監(jiān)測點⑩的應變片傾斜相交并將其破壞。

4.1.2側墻和拱腳

隧道襯砌模型右側壁和拱腳內部監(jiān)測點和外部監(jiān)測點的載荷-應變曲線如圖4—5所示。由圖4—5可以看出，在早期加載階段和模型開裂之前，內部監(jiān)測點④、⑤和⑧處于壓縮狀態(tài)，相應的外部監(jiān)測點④、⑤和⑧處于拉伸狀態(tài)。內部監(jiān)測點③在早期加載階段和模型開裂之前位于壓縮狀態(tài)，在外部監(jiān)測點③仍處于壓縮狀態(tài)。

圖4 側墻和拱腳內部監(jiān)測點的荷載-應變曲線

圖5 側墻和拱腳外部監(jiān)測點的荷載-應變曲線

由圖4—5可以看出，當荷載達到107.8kPa時，此時約為極限荷載的53.5%，拱頂內相繼出現(xiàn)裂縫。在112.2kPa時，此時約為極限荷載的55.7%的荷載水平下，外部監(jiān)測點⑤的應變數(shù)值增加到326.4με后立即在相應位置出現(xiàn)了新的拉伸裂紋，觀察到裂紋沿軸向方向擴展。當荷載達到153.7kPa，此時為極限荷載的76.3%時，左拱腳的拱腹發(fā)生脆性開裂，監(jiān)測點⑧內側壓應變減小，外側應變增大。在165.1kPa，此時為極限荷載的81.9%的荷載水平下，右側壁的內側出現(xiàn)了環(huán)向裂紋，監(jiān)測點④內側由壓應變轉為拉應變，外側壓應變數(shù)值顯著增大。

4.2 位移分析

分析試驗期間襯砌模型的荷載水平、應變和裂紋擴展之間的關系，可以得到，在早期加載階段，當襯砌模型分別處于較低的荷載水平的加載條件下時，結構表現(xiàn)出非常有限的變形，沒有出現(xiàn)裂紋。當襯砌模型的荷載水平持續(xù)增大時，由于拉應力過大，裂縫首先出現(xiàn)在拱頂?shù)膬葌?。此時，結構進入了帶有裂紋的穩(wěn)定變形階段。結構的變形速度加快，表明結構剛度降低。拱頂?shù)拈_裂范圍隨著施加荷載的增加而不斷擴大。當襯砌模型處于較高荷載水平條件下時，由于高局部壓縮，右側壁的內側出現(xiàn)裂縫，而左側壁沒有出現(xiàn)裂縫。拱頂在側壁之前出現(xiàn)裂縫，其裂縫最為嚴重，此外，右側壁的裂縫比左側壁的裂縫更為嚴重。觀察襯砌模型的破壞過程，開裂順序為拱頂內拱、右拱腳外拱、左拱腳外弧、右側壁內拱和仰拱內拱，隨后形成拱頂臨界開裂區(qū)，并最終導致整個結構的失穩(wěn)破壞[7]。

本文試驗逐步加載過程中6個監(jiān)測點⑥、⑧、⑩、①、②和④的荷載-位移曲線如圖6所示，襯砌結構失效時變形量如圖7所示。監(jiān)測徑向位移①、②明顯大于其他監(jiān)測點的徑向位移。內襯模型整體表現(xiàn)出壓扁變形，隧道拱頂右側達到最大位移。在荷載水平為107.8kPa時，拱頂出現(xiàn)裂縫，①、②監(jiān)測點徑向位移分別為7.7和7.4mm。拱頂開裂導致荷載-位移曲線出現(xiàn)拐點，拱部變形速率加快，結構剛度降低。仰拱開裂后，①、②監(jiān)測點曲線變形速率急劇增加，結構進入加速變形破壞階段。當臨界開裂區(qū)發(fā)生嚴重破壞，同時承載能力急劇下降。該點被視為襯砌模型的失效點[8]。

圖6 荷載-位移曲線

圖7 襯砌結構失效時變形量

5 結語

本文通過現(xiàn)場調查和室內試驗，研究了黃土地區(qū)既有隧道二次襯砌的開裂機理和破壞過程，研究了襯砌結構的變形演化規(guī)律、裂縫特征。得到以下結論。

(1)現(xiàn)場實測壓力數(shù)據(jù)確定的荷載條件下，襯砌模型在隧道頂部右側達到最大徑向位移。襯砌結構的變形破壞過程可分為3個階段，以拱頂開裂和仰拱開裂為兩個分界點，包括無裂紋的線性變形階段、有裂紋的穩(wěn)定變形階段和加速變形破壞階段。

(2)根據(jù)試驗結果推斷，隧道原型上行段二次襯砌處于穩(wěn)定變形階段，存在裂縫，需要采取適當?shù)募庸檀胧?，防止襯砌裂縫的進一步發(fā)展和整個結構的失穩(wěn)破壞。