襯砌背后空洞對(duì)不同等級(jí)圍巖的影響分析

王 偉 盧軍源 李盈燦

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

襯砌背后空洞對(duì)不同等級(jí)圍巖的影響分析

王 偉 盧軍源 李盈燦

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

隧道病害越來(lái)越引起人們的關(guān)注與重視，選取襯砌背后存在空洞這一常見隧道病害形式，利用有限元軟件ANSYS建立三維彈塑性模型，運(yùn)用地層結(jié)構(gòu)法，通過(guò)模擬隧道開挖施工，分析拱頂部位空洞對(duì)不同等級(jí)圍巖的位移以及內(nèi)力的影響。結(jié)果表明襯砌背后空洞的存在降低襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，隨著圍巖等級(jí)變差，襯砌安全性越差，指出隧道空洞病害常用的維修加固措施。

隧道病害 襯砌背后空洞 數(shù)值模擬 位移 內(nèi)力

1引言

1.1 隧道病害

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)，公路隧道得到飛速發(fā)展，從隧道的數(shù)量、規(guī)模和建設(shè)速度來(lái)看，我國(guó)已成為世界上隧道工程最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國(guó)家[1]。然而由于地質(zhì)條件、地形條件、氣候條件和設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各種因素的影響，隧道建成后在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣不同程度的病害，部分隧道甚至在使用的前期就出現(xiàn)比較嚴(yán)重的隧道病害，如襯砌裂損、隧道滲漏水等。襯砌背后存在空洞是比較常見的隧道病害，隧道病害嚴(yán)重影響著隧道的運(yùn)營(yíng)安全，縮短了隧道的使用壽命，同時(shí)也造成人力、物力和經(jīng)濟(jì)的損失。

1.2 空洞成因

造成襯砌背后存在空洞的原因主要為在新奧法隧道施工時(shí)，由于隧道爆破效果不夠理想，超欠挖現(xiàn)象普遍，部分施工單位為了追求經(jīng)濟(jì)快速，通過(guò)鋼筋網(wǎng)在作為初期支護(hù)的噴射混凝土層背后設(shè)置石塊、泡沫、稻草等取代混凝土進(jìn)行充填，造成了圍巖與初期支護(hù)之間接觸不良，有些甚至形成了較大型的空洞；在對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行施工中，泵送混凝土的壓力不足，混凝土流動(dòng)性差，以及抽拔泵送管太早太快等原因，造成模筑混凝土厚度不足而形成了空洞，主要以拱頂部位為主[2]。

1.3 空洞危害

襯砌背后存在空洞時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的受力以及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。襯砌上邊緣容易發(fā)生開裂，圍巖會(huì)失去應(yīng)有的支護(hù)而松弛、變形，導(dǎo)致失穩(wěn)、脫落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生崩塌，嚴(yán)重影響隧道使用和行車安全[3]。

2有限元模型

以河南省某隧道工程為依托，建立ANSYS有限元模型，進(jìn)行三維彈塑性分析，模型范圍取隧道縱向長(zhǎng)度12m，上下左右各取4倍洞徑，經(jīng)驗(yàn)表明如果取計(jì)算邊界為隧道等效直徑的3～5倍，則邊界誤差在10%以內(nèi)。模型共劃分為29952個(gè)單元，33985個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型整網(wǎng)格劃分如圖1所示、空洞及支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元solid45模擬圍巖，采用三維殼單元shell63模擬襯砌結(jié)構(gòu)。隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料按均質(zhì)彈塑性考慮，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

圖1 有限元模型

圖2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及空洞模型

初期支護(hù)中鋼拱架的模擬采用等效的方法予以考慮，通過(guò)將其強(qiáng)度整合計(jì)算到噴射混凝土中綜合考慮，具體計(jì)算公式為。式中：為折算后的噴射混凝土彈性模量；為原噴射混凝土彈性模量；為鋼拱架彈性模量；為鋼拱架截面積；為噴射混凝土截面積[4]。采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖，每次進(jìn)尺1m。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)選取

Ⅴ級(jí)圍巖1.8 0.38 24 0.2 22初次襯砌26 0.2 24二次襯砌26 0.2 24

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移特征

位移作為判定隧道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要參數(shù)，本文選取三種等級(jí)圍巖空洞下方拱頂部位開挖過(guò)程中豎直方向的位移量進(jìn)行對(duì)照分析，各等級(jí)圍巖開挖過(guò)程中拱頂下沉量（見圖3）。

圖3 各等級(jí)圍巖襯砌背后存在空洞時(shí)拱頂沉降量

可以看出采用臺(tái)階法開挖時(shí)，拱頂沉降主要集中發(fā)生在上臺(tái)階開挖的過(guò)程中。存在空洞情況下，空洞處襯砌外側(cè)受拉內(nèi)側(cè)受壓，產(chǎn)生應(yīng)力集中。Ⅲ級(jí)圍巖開挖至空洞處拱頂沉降量有明顯減小的趨勢(shì)；Ⅳ級(jí)圍巖隨著開挖至空洞處拱頂沉降值由負(fù)值逐漸變?yōu)檎?mm，說(shuō)明空洞處襯砌有向上拱起的趨勢(shì)，等開挖結(jié)束后，隨著圍巖自穩(wěn)，沉降值又恢復(fù)到負(fù)值；對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，空洞處襯砌向上拱起的趨勢(shì)更為明顯，突起位移量達(dá)到7mm，且最終沉降值為正值4mm，說(shuō)明襯砌變形較大，甚至可能破壞。

3.2 內(nèi)力特征

為了分析隧道襯砌背后空洞對(duì)不同等級(jí)圍巖隧道結(jié)構(gòu)的作用，選取各等級(jí)圍巖開挖后隧道襯砌各方向的彎矩圖進(jìn)行分析?？斩刺帉?duì)應(yīng)襯砌由于空洞的作用外側(cè)產(chǎn)生最大負(fù)彎矩值，在其周圍兩側(cè)襯砌則產(chǎn)生最大正彎矩值；X方向彎矩最大正彎矩產(chǎn)生在空洞橫向兩側(cè)，Y方向彎矩最大正彎矩產(chǎn)生在空洞縱向兩側(cè)；隨著圍巖等級(jí)的變差，這種彎矩效應(yīng)也逐步增強(qiáng)；襯砌Z方向彎矩的最大正彎矩及最大負(fù)彎矩也都出現(xiàn)在空洞處；這種彎矩集中且反差較大的現(xiàn)象對(duì)襯砌的安全性產(chǎn)生很不利的影響。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)不同等級(jí)圍巖襯砌背后存在空洞情況下數(shù)值模擬，分析其位移及內(nèi)力特征，可以得到下面的認(rèn)識(shí)：（1）采用臺(tái)階法開挖時(shí)，拱頂沉降主要集中發(fā)生在上臺(tái)階開挖的過(guò)程中?？斩词钩跗谥ёo(hù)在失去外側(cè)圍巖抗力的情況下外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓。空洞處豎直方向位移明顯有向上發(fā)展的趨勢(shì)，Ⅲ級(jí)圍巖由于其自穩(wěn)性比較好空洞處拱頂沉降值均為負(fù)值，Ⅳ級(jí)及Ⅴ級(jí)圍巖空洞處襯砌向上拱起的趨勢(shì)比較明顯，Ⅴ級(jí)圍巖更是達(dá)到7mm，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響。（2）空洞出襯砌內(nèi)力產(chǎn)生集中，各方向最大正彎矩及最大負(fù)彎矩都集中在空洞對(duì)應(yīng)的襯砌附近，對(duì)襯砌的安全性不利。隨著圍巖等級(jí)變差，襯砌最大正負(fù)彎矩值近似成倍的增大，容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或破損甚至更嚴(yán)重的病害，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很大。（3）襯砌背后空洞是隧道比較容易出現(xiàn)的病害之一，使襯砌的受力狀態(tài)發(fā)生改變，還將衍生出襯砌裂損、滲漏水等其他病害。出現(xiàn)襯砌后空洞病害時(shí)，常用的維修加固措施有回填壓注、內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)、錨桿補(bǔ)強(qiáng)以及內(nèi)襯拱架補(bǔ)強(qiáng)等。本文僅對(duì)三種等級(jí)圍巖隧道襯砌背后空洞進(jìn)行分析，然而影響隧道穩(wěn)定的因素還有很多，很多病害都是同時(shí)出現(xiàn)綜合作用，因此還需要進(jìn)行更深入的研究和分析。

[1]郭陜?cè)? 論我國(guó)隧道和地下工程技術(shù)的研究和發(fā)展[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)2004(增刊):1-6.

[2]何健，佘川. 高速公路隧道維修與加固[M]. 北京：人民交通出版社，2006

[3]司徒麗新，鄒友泉. 襯砌背后空洞對(duì)于公路隧道的危害性研究[J]. 山西建筑，2007，33（31）：301-302.

[4]吳波，劉維寧，高波.城市錢買隧道施工性態(tài)的時(shí)空效應(yīng)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26（3）：340-343.

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1007-6344（2015）04-0322-01