隧道襯砌背后空洞健康判據(jù)試驗(yàn)研究

李 明，陳洪凱，熊峰偉

(1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都，610031;3.湖州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江湖州 313000)

隧道襯砌背后空洞健康判據(jù)試驗(yàn)研究

李 明1，2，陳洪凱2，熊峰偉3

(1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都，610031;3.湖州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江湖州 313000)

從研究襯砌背后空洞單項(xiàng)指標(biāo)判據(jù)出發(fā)，結(jié)合實(shí)例采用室內(nèi)大比例尺模型試驗(yàn)，分析了襯砌背后存在不同尺寸空洞時(shí)結(jié)構(gòu)的承載力大小變化、病害產(chǎn)生形式和變化規(guī)律等。得到了隧道襯砌背后空洞的單項(xiàng)指標(biāo)健康判據(jù):隧道健康狀態(tài)時(shí)背后無空洞，處于亞健康時(shí)背后空洞小于100 mm，病害階段時(shí)背后空洞介于100～550 mm之間，病危階段時(shí)背后空洞大于550 mm。

隧道襯砌;空洞;試驗(yàn);健康;判據(jù)

隧道襯砌背后的空洞會(huì)造成襯砌受力不均衡，形成偏壓效應(yīng)，引發(fā)或加劇其他類型的襯砌病害，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況。目前對(duì)襯砌背后空洞的認(rèn)識(shí)僅限于定性分析，缺乏對(duì)病害形成過程及機(jī)理進(jìn)行深入分析和量化研究。由于目前的判別標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成了判別結(jié)果的多樣性，給隧道襯砌健康等級(jí)的劃分帶來了困難。因此，亟須解決隧道襯砌背后空洞的健康判據(jù)問題。

從文獻(xiàn)［1-8］來看，現(xiàn)階段的研究主要是利用數(shù)值仿真手段研究隧道與地下工程結(jié)構(gòu)的施工開挖過程以及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，直接研究隧道健康判據(jù)的文獻(xiàn)較少，而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)裂縫和背后空洞的模擬有部分研究。但是結(jié)論沒有經(jīng)過試驗(yàn)和實(shí)踐驗(yàn)證，要想引入工程實(shí)踐尚需時(shí)日。

因此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，采用相似模型實(shí)驗(yàn)方式探索隧道工程支護(hù)襯砌背后不同尺寸的空洞與隧道健康等級(jí)之間的關(guān)系，建立健康狀態(tài)診斷判據(jù)。

1 相似模型試驗(yàn)材料參數(shù)選取與設(shè)計(jì)

通過國內(nèi)外眾多專家學(xué)者積累的豐富經(jīng)驗(yàn)［9-10］，根據(jù)試驗(yàn)的目的與要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)襯砌采用石膏模擬，從安全的角度考慮，忽略了其中的鋼構(gòu)件模擬;考慮到試驗(yàn)中受到各方面因素的影響，本次試驗(yàn)得圍巖參數(shù)主要采用Ⅵ級(jí)圍巖的技術(shù)指標(biāo)。隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑蜑橹貞c市“八一”隧道，模型比例尺為1∶25。試件加壓系統(tǒng)采用液壓自動(dòng)伺服系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)。為防止橫向的變形，在豎直方向采用25 mm厚鋼板支撐。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 完整支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)承載力的影響分析

在豎直應(yīng)力作用下，完整隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在荷載作用下的力，如圖1。由圖1可以看出，在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)拱肩附近受到較大的接觸壓力作用，致使隧道結(jié)構(gòu)首先從這些部位出現(xiàn)壓潰裂紋病害，因受到隧道拱腳部位形狀的限制，土體首先從拱腳部位開裂，然后兩側(cè)裂縫逐漸貫通而使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，具體的破壞形態(tài)詳見圖2。

由圖1還可以看出，支護(hù)應(yīng)力最大的位置一直處于拱頂位置，而較小的土壓力則處于拱頂兩側(cè)，這種受力模式作用下，致使隧道較大的彎矩出現(xiàn)在拱肩至拱腰部位，拱肩部位由于受力過大而早于其他部位被壓潰。隧道在這種變化過程與隧道位移變化規(guī)律相似。

2.2 支護(hù)襯砌背后空洞對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響分析

當(dāng)支護(hù)襯砌背后空洞深度為4 mm時(shí)的特征點(diǎn)接觸應(yīng)力、特征點(diǎn)位移和內(nèi)力斷面如圖3。

由圖3(a)可以看出，在豎直應(yīng)力作用下，拱頂和接近拱頂附近的拱肩部位的位移變化逐漸加大，尤其是拱頂部位的變形接近于仰拱底部的變形時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)病害。試驗(yàn)中，當(dāng)豎向加載至37.954 kPa時(shí)，隧道周邊出現(xiàn)環(huán)向裂紋，從右側(cè)邊墻開始開裂，隨后從右側(cè)邊墻1/3高度擴(kuò)展至地面，產(chǎn)生土體刺入式破壞，隨后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體失穩(wěn)，承載力下降，說明結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全失去承載能力，結(jié)構(gòu)破壞。由于拱頂部位30°范圍內(nèi)與圍巖體模擬材料沒有接觸，變形較小，與之相鄰的左右側(cè)拱肩部位受到較大的應(yīng)力作用，與之相對(duì)應(yīng)的就是在拱肩部位將受到較大的壓力，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)壓潰，主要的病害出現(xiàn)部位是拱肩和邊墻，拱頂?shù)钠茐膭t主要是由于拱肩的破壞引起的裂縫貫通而產(chǎn)生的壓潰屈服，主要特征有時(shí)會(huì)出現(xiàn)沿縱向的壓潰現(xiàn)象。

由圖3(b)可以看出，由于拱頂?shù)目斩醋饔?，拱頂支護(hù)襯砌與模擬圍巖體沒有接觸，所以沒有出現(xiàn)接觸壓力，在病害出現(xiàn)之前出現(xiàn)拱頂壓力為0的現(xiàn)象。這樣，隨著豎向壓力的增加，勢必造成拱肩部位的壓力增加，并且保持最大。當(dāng)接觸壓力達(dá)到一定的數(shù)值以后，隧道拱肩部位的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)受拉而破壞，這與前述的變形與破壞現(xiàn)象相一致。隨著接觸應(yīng)力的增加，拱肩部位的裂紋首先向邊墻拱腳延伸貫通，最后致使拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)壓潰而整體失穩(wěn)。

從受力來看，隨著豎向荷載的加大，拱肩和邊墻部位的接觸應(yīng)力增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓應(yīng)力在拱肩部位反映為最大。在結(jié)構(gòu)尚未出現(xiàn)病害以前，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的彎矩均為負(fù)值，且量值較小，與支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的拱肩附近的彎矩相對(duì)也較小。彎矩與軸力的疊加，致使拱肩部位受到較大的拉應(yīng)力作用，整個(gè)結(jié)構(gòu)的主控截面出現(xiàn)在拱肩部位，并逐漸向拱腰和邊墻部位移動(dòng)。當(dāng)拉應(yīng)力值超過截面的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則在拱肩附近部位出現(xiàn)拉裂紋。拱肩開裂以后，應(yīng)力向周邊傳遞，首先受到?jīng)_擊的就是拱頂部位。由于拱頂支護(hù)與圍巖之間沒有產(chǎn)生抗力作用，不能抵抗增加的應(yīng)力，會(huì)在支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)擠壓應(yīng)力，而支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)則受到拉應(yīng)力的作用，同時(shí)拱腰和邊墻部位的受力以受拉為主。因此裂紋向下擴(kuò)展的隨度要比向上的速度快，因此破壞時(shí)拱肩以下的部位裂紋貫通，而在拱頂部位出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。

當(dāng)襯砌背后空洞深度分別增加為20 mm和30 mm時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)隨豎向加載的位移曲線、襯砌的接觸應(yīng)力變化曲線和支護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面應(yīng)力分布曲線分別如圖4和圖5。

從圖4和圖5可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)背后空洞增大后，結(jié)構(gòu)的承載能力直線下降，結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和接觸應(yīng)力的變化趨勢具有共同的特點(diǎn)。在豎向應(yīng)力的作用下，由于拱頂部位支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖體之間的空隙較大，沒有產(chǎn)生相應(yīng)的抗力作用，拱頂部位的位移要相對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)臨近拱肩部位的區(qū)域的結(jié)構(gòu)受到較大的應(yīng)力作用，結(jié)構(gòu)變形在此處最大，邊墻部位的變形要比其它部位的變形要小的多，因此結(jié)構(gòu)的變形在隧道橫斷面結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)一典型的拱頂向上突出、拱肩向內(nèi)陷入和邊墻基本變形較小的“凸”型結(jié)構(gòu)，在仰拱結(jié)構(gòu)部位的變形呈現(xiàn)向內(nèi)侵入隧道建筑空間的“凹”型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的受力以隧道拱肩附近最大，拱腰向邊墻部位的方向逐漸減小的趨勢，從結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力的的變形橫斷面曲線可以看出，呈現(xiàn)為典型的貓耳朵形狀。

從結(jié)構(gòu)的病害產(chǎn)生到破壞的過程來看，有空洞時(shí)的產(chǎn)生的病害形式、位置和順序也基本相同。病害首先出現(xiàn)在受力最大的拱肩部位，沿著隧道左右兩側(cè)拱肩部位首先出現(xiàn)縱向裂紋，一旦出現(xiàn)裂紋，拱肩部位的應(yīng)力得到釋放，逐漸轉(zhuǎn)向隧道的拱頂、拱腰與邊墻部位。隧道拱頂部位的病害出現(xiàn)內(nèi)部受拉破壞，而外側(cè)由于受到較大的擠壓作用而壓潰，拱肩以下部位的裂紋則由于受到較大的接觸應(yīng)力作用而在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)出現(xiàn)外面寬而內(nèi)部逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展的“V”字型裂紋，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展貫通，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸損失殆盡，因此進(jìn)一步增加豎向應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的裂紋貫通以后出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

2.3 支護(hù)襯砌背后空洞結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)判據(jù)分析

現(xiàn)把拱頂襯砌背后不同深度空洞試驗(yàn)特征點(diǎn)接觸應(yīng)力與破壞荷載匯總于表1，襯砌背后不同深度空洞承載力褪化關(guān)系如圖6，襯砌背后不同深度空洞各特征點(diǎn)最大接觸應(yīng)力和位移曲線分別如圖7、圖8，表2是各特征點(diǎn)位移的匯總。

表1 拱頂襯砌背后空洞試驗(yàn)特征點(diǎn)接觸應(yīng)力與破壞荷載匯總Tab.1 Summary of contact stress and failure load of characteristic points various cavity test

圖8 不同空洞深度時(shí)特征點(diǎn)最大位移曲線Fig.8 Maximum displacement curve of characteristic points under various cavity depth

表2 拱頂襯砌減薄試驗(yàn)特征點(diǎn)最大位移與破壞荷載匯總Tab.2 Summary of maximum displacement and failure load of characteristic points various thickness test

從表1和圖6、圖7可以看出，隨著拱頂襯砌背后空洞深度的增加，結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸下降，各特征點(diǎn)的接觸應(yīng)力亦具有相類似的變化規(guī)律，但是在各個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的承載力下降速率是有較大差異的。以完整狀態(tài)的襯砌受力狀態(tài)和承載能力作為標(biāo)準(zhǔn)，由圖6可以看出，結(jié)構(gòu)的變形曲線呈現(xiàn)為明顯的反“S”型形狀，下降曲線可以分為明顯的3段:

1)緩慢褪化階段，在此階段，從隧道背后無空洞至空洞深度為4 mm，由于背后空洞的存在，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸下降，但是褪化速度較慢，速率為0.711 kPa/mm，結(jié)構(gòu)的承載能力減少到完整狀態(tài)的93%。

2)快速褪化階段，在此階段從隧道拱頂背后空洞深度為4～22 mm之間，隨著隧道支護(hù)襯砌拱頂背后空洞的深度逐漸加深，隧道的承載能力迅速下降，拱肩等部位的接觸應(yīng)力也是迅速下降。結(jié)構(gòu)承載能力的褪化速率為1.26 kPa/mm，時(shí)緩慢褪化階段褪化速率的1.77倍。在隧道支護(hù)襯砌背后空洞深度達(dá)到20 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)的承載能力降低為完整狀態(tài)下的38.25%，可以認(rèn)為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐能力已經(jīng)損失殆盡。

3)褪化完成階段，在此階段從隧道拱頂背后空洞深度為大于22 mm，隨著支護(hù)襯砌背后的空洞的進(jìn)一步加大和深入，支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖之間的接觸應(yīng)力、位移和承載能力與隧道拱頂背后空洞深度為22 mm時(shí)的對(duì)應(yīng)測試參數(shù)相比較沒有很大的變化，可以認(rèn)為在此階段，隧道的承載能力已經(jīng)褪化完成。此時(shí)的承載力褪化速率為0.144 kPa/mm，結(jié)構(gòu)的承載能力降低為完整狀態(tài)下的34.81%，與結(jié)構(gòu)襯砌背后空洞深度為22 mm時(shí)的承載能力基本持平，在變化趨勢線上可以看出其為一近似水平的直線段，只在圖7和圖8中也可以明顯的看出來。

在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力快速下降階段，可以認(rèn)為隧道的健康狀態(tài)處于病害階段，在此階段及時(shí)采取支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)手段，可以繼續(xù)延續(xù)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，保證隨到結(jié)構(gòu)的繼續(xù)營運(yùn);在褪化完成階段，隧道的健康狀態(tài)已經(jīng)是病危階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)背后空洞的深度增加而變化很少，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)隨時(shí)有可能出現(xiàn)失穩(wěn)，造成極大的隱患，隧道結(jié)構(gòu)處于病危階段;在緩慢褪化階段，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力隨隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后空洞深度的逐漸加深而緩慢下降，但是并不影響隧道整體的穩(wěn)定性，因此，在此階段，隧道的健康狀態(tài)可以劃分為亞健康狀態(tài)，在此階段如果采取有效措施將隧道背后的空洞填塞壓滿，使圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)充分密貼，完全可以達(dá)到隧道整體狀態(tài)時(shí)的承載能力。當(dāng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后沒有空洞時(shí)，隧道的承載能力達(dá)到最大，可以從空洞深度的角度單方面確定隧道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)為健康狀態(tài)。

從以上的分析過程來看，結(jié)合相似模擬試驗(yàn)理論的實(shí)驗(yàn)比例，可以確定通過試驗(yàn)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后空洞深度的隧道健康狀態(tài)判據(jù)如表3。

表3 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后空洞深度的隧道健康狀態(tài)試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Test criterion of tunnel health under the cavity behind the supporting structure

另外在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)最大接觸應(yīng)力圖7中可以看出，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為4～22 mm變化時(shí)，隧道拱頂部位的接觸應(yīng)力由正變副，拱頂結(jié)構(gòu)的受力與其他對(duì)應(yīng)部位的受力符號(hào)相反，在隧道支護(hù)整體橫斷面上呈現(xiàn)明顯的交替應(yīng)力現(xiàn)象，致使隧道的健康狀態(tài)直線下降，與之相對(duì)應(yīng)的隧道的位移除了出現(xiàn)向隧道凈空方向發(fā)生移動(dòng)以外，尚發(fā)生向隧道圍巖內(nèi)部刺入的變形，隧道拱頂部位的變形一直處于最大值狀態(tài)，隨后隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂背后空洞的進(jìn)一步加深，位移變化并不十分明顯，在此前階段的拱頂位移一直處于拱肩和邊墻部位位移變化值之間。另外從圖7可看出，在對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)階段，隧道關(guān)鍵點(diǎn)變形的規(guī)律與承載力的變化趨勢相似，而結(jié)構(gòu)的變形趨勢則與結(jié)構(gòu)的承載能力曲線有點(diǎn)相似。

3 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)得出的主要結(jié)論如下:

1)同樣厚度的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)背后存在空洞時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力下降的趨勢十分明顯，在同等位移的條件下，有空洞的結(jié)構(gòu)直接降到?jīng)]有空洞時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力的1/3左右，隨著位移的增大，承載力下降的速度越快;

2)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的空洞隨著尺寸的增加，結(jié)構(gòu)的承載力褪化呈階段性下降，總體上可以分為3個(gè)階段:緩慢褪化階段、加速褪化階段和退化完成階段，每個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的亞健康、病害和病危階段，在圖形上呈明顯“S”形形狀;

3)以隧道背后無空洞作為隧道健康的單項(xiàng)指標(biāo)，則隧道背后空洞深度小于100 mm時(shí)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)處于亞健康狀態(tài)，當(dāng)背后空洞深度超過550 mm時(shí)，則隧道的承載能力基本喪失，處于病危階段，如果空洞深度介于上述標(biāo)準(zhǔn)之間，隧道的健康狀態(tài)則屬于病害階段。

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Test Research on Health Criterion of Cavities behind the Lining

LI Ming1，2，CHEN Hong-kai2，XIONG Feng-wei3

(1.Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Civi1 Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;
3.Huzhou Traffic Planning and Designing Institute，Huzhou 313000，Zhejiang ，China)

For studying the single index criterion of lining cavities，and introducing lab large-scale model test combining the engineering example，analyzing the variety of structure bearing capacity，disease producing shapes and varying rule and so on where are different dimension cavities after lining.finding out the single health criterion of cavity:it is health where no cavities after the lining，it’s sub-health when the dimension is less than 100mm，disease when the dimension is between 100mm and 550mm，it’s sick to death if the dimension were more than 550mm.

lining;cavity;test;health;criterion

U456.3+1

A

1674-0696(2011)03-0398-05

2010-11-16;

2011-04-26

重慶市建設(shè)科研項(xiàng)目(200857)

李 明(1978-)，男，河南南陽人，博士研究生，主要從事公路隧道與巖土工程研究。E-mail:lijianming7805@126.com。