襯砌背后含水空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響分析

黃 玲，陳飛昕

（1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500；2.廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510665）

襯砌背后含水空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響分析

黃 玲1，陳飛昕2

（1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500；2.廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510665）

襯砌背后含水空洞的存在對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)影響更為復(fù)雜，直接影響工程安全性.以某分離式六車道高速公路隧道為例，采用 MIDAS/GTS有限元軟件，建立襯砌背后含水空洞的荷載結(jié)構(gòu)模型，分別對(duì)拱頂、拱肩和拱腰處不同范圍含水空洞的隧道斷面結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行計(jì)算分析.計(jì)算結(jié)果表明：隧道襯砌在無空洞時(shí)有最大的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；拱頂含水空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全狀況影響最大，拱肩次之，拱腰最小；當(dāng)襯砌背后含水空洞范圍大于 10°時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備將明顯下降.

公路隧道；襯砌；含水空洞；安全系數(shù)

0 引言

目前，我國正處于鐵路隧道和公路隧道的高速建設(shè)階段.由于隧道斷面設(shè)計(jì)尺寸的多樣、地質(zhì)條件的復(fù)雜、施工方法差異及隧道維護(hù)管理等因素，引起隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性［1］.隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷主要體現(xiàn)在襯砌背后空洞、襯砌強(qiáng)度及厚度不足等問題上［2］.其中，襯砌背后空洞是隧道最常見的病害之一［2-3］.當(dāng)襯砌背后存在空洞時(shí)，該襯砌由于受不均勻荷載影響，往往伴隨著不同程度的結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，而充水空洞處還將出現(xiàn)滲漏水等病害.此外，空洞附近的圍巖在車輛荷載、地下水等影響下可能出現(xiàn)松動(dòng)，造成圍巖的失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致運(yùn)營隧道出現(xiàn)塌方等事故，給隧道結(jié)構(gòu)自身和隧道內(nèi)行車安全帶來很大的威脅［4-5］.襯砌背后空洞，特別是含水空洞已經(jīng)成為隧道襯砌病害變異的主要原因之一.

當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)襯砌背后空洞的研究大多集中在隧道拱頂位置出現(xiàn)空洞時(shí)的情況，未特別地考慮空洞位置變動(dòng)及與其他災(zāi)害耦合發(fā)生的情況，因此對(duì)于充水空洞引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)安全問題的針對(duì)性研究較少［5-6］.本文以某分離式六車道高速公路隧道為例，采用MIDAS/GTS有限元軟件，模擬計(jì)算不同位置不同范圍的含水空洞隧道模型，并且基于數(shù)據(jù)分析影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全狀況的因素.本項(xiàng)工作有利于進(jìn)一步討論隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法的優(yōu)化，進(jìn)而可以指導(dǎo)公路隧道的養(yǎng)護(hù)維修工作.

1 計(jì)算模型及參數(shù)

某分離式六車道高速公路隧道，隧道主洞拱部為三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，拱頂凈高為 8m，凈寬為 15.2m，凈空面積為 118.81m2.隧道襯砌為C30混凝土結(jié)構(gòu)，具體的材料參數(shù)見表1.該隧道埋深為25m，圍巖主要以 V級(jí)為主，且隧道結(jié)構(gòu)位于含水豐富的巖層土中，水位標(biāo)高為 10m.該隧道含水空洞主要存在于隧道襯砌的拱頂、拱肩和拱腰處.

由于隧道縱向長度遠(yuǎn)大于隧道橫斷面的尺寸，且襯砌結(jié)構(gòu)主要受垂直于隧道橫斷面的作用力，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，計(jì)算將采用荷載-結(jié)構(gòu)法.其中，隧道拱頂含水空洞的數(shù)值計(jì)算模型如圖 1所示.

表1 襯砌材料參數(shù)

圖1 拱頂含水空洞計(jì)算模型

隧道結(jié)構(gòu)所受的結(jié)構(gòu)荷載按照現(xiàn)行 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）［7］確定.當(dāng)襯砌背后無空洞時(shí)，隧道襯砌主要受圍巖的約束作用，圍巖的彈性抗力只產(chǎn)生在被壓襯砌上.深埋隧道結(jié)構(gòu)所受的垂直均布?jí)毫奢d q為：

式中，s為圍巖級(jí)別，γ為圍巖重度，ω為寬度影響系數(shù)；對(duì)于V級(jí)圍巖，水平均布?jí)毫為（0.3-0.5）q.為了確保襯砌結(jié)構(gòu)的安全，襯砌結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)比例按照圍巖級(jí)別的最高釋放荷載來進(jìn)行選定，V級(jí)圍巖釋放荷載為80%.

當(dāng)襯砌背后或圍巖存在含水空洞時(shí)，空洞區(qū)段不能產(chǎn)生充分的地層壓力，且不受圍巖的垂直和水平壓力荷載作用，襯砌外緣僅受法向水壓力作用.水壓力的計(jì)算可按照下式進(jìn)行：

式中，H為地下水位高度；γ為水的重度；β為水壓力折減系數(shù)，該系數(shù)可根據(jù)《水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002）［8］進(jìn)行選定.圍巖結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表 2所示.

表2 圍巖結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

式中，Ra為抗壓強(qiáng)度，N為軸向力，b和 h分別為截面寬度和厚度，φ為結(jié)構(gòu)縱向彎曲系數(shù)，α為軸向力的偏心影響系數(shù).

2.1 拱頂含水空洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全影響分析

隧道拱頂存在不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如圖 2所示，最小安全系數(shù)變化趨勢(shì)如圖 3所示.從圖中可以看出，隧道襯砌在無空洞時(shí)，各單元結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最大.其中，拱頂處有最大值， 為 19.08； 拱腳處有最小值，為6.03.其次，隨著拱頂空洞范圍的增大，襯砌結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)和最小安全系數(shù)呈逐步下降趨勢(shì)，且左右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)變化基本相同.其中，空洞范圍達(dá)到30%時(shí)，拱頂單元結(jié)構(gòu)安全

圖2 拱頂不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

圖3 拱頂不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)

由于含水空洞沿隧道橫斷面范圍不大，在仿真計(jì)算中考慮的工況分別為隧道拱頂、拱肩和拱腰處存在不同范圍的含水空洞.根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004），分析襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響.襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)K為：系數(shù)從無空洞時(shí) 19.08減小至 7.12，拱肩單元從 9.35減小至 4.12，拱腰單元從 6.63減小至3.52.由此可見，當(dāng)含水空洞處于隧道拱頂位置時(shí)，拱頂單元結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)變化最大，拱肩次之，拱腰最小.另一方面，隧道襯砌結(jié)構(gòu)在空洞較小時(shí)，最小安全系數(shù)亦急劇減小，說明含水空洞處于拱頂位置時(shí)，會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力及由此引起的變心產(chǎn)生顯著的影響.

2.2 拱肩含水空洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全影響分析

隧道右側(cè)拱肩位置存在不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如圖 4所示，最小安全系數(shù)的變化如圖 5所示.圖中顯示，隨著拱肩處含水空洞范圍的增大，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和最小安全系數(shù)整體同樣呈逐步下降趨勢(shì)，然而，含水空洞所在的右側(cè)拱肩處安全系數(shù)降低速率卻較左側(cè)拱肩處慢.分析這種現(xiàn)象，可以認(rèn)為：雖然含水空洞的存在使空洞處襯砌受水壓力的影響，但空洞處不能產(chǎn)生充分的地層壓力，導(dǎo)致隧道空洞附近襯砌結(jié)構(gòu)受到偏壓荷載影響，使得空洞處的變形和受力增加較小，因此其安全系數(shù)的減小反而慢于無空洞結(jié)構(gòu)部位.此外，當(dāng)右側(cè)拱肩空洞范圍達(dá)到 30%時(shí)，拱頂單元結(jié)構(gòu)安全系數(shù)減小至 5.78，拱肩單元減小至 5.5，拱腰單元減小至 3.61.進(jìn)一步對(duì)比圖 2和圖 4，可以看出，右側(cè)拱肩空洞對(duì)拱頂單元的安全系數(shù)影響較大，而拱頂空洞對(duì)隧道襯砌整體的安全系數(shù)影響較拱肩空洞大.

圖4 右側(cè)拱肩不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

圖5 右側(cè)拱肩不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)

2.3 拱腰含水空洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全影響分析

隧道右側(cè)拱腰存在不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如圖 6所示，最小安全系數(shù)變化趨勢(shì)如圖7所示.分析圖示數(shù)據(jù)，可以看出：首先，隨著拱腰空洞范圍的增大，右側(cè)拱腰空洞處由于不能產(chǎn)生充分的地層壓力，該位置的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低較其他單元慢，而空洞兩側(cè)單元由于受偏壓荷載影響，安全系數(shù)急劇減??；其次，數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)右側(cè)拱腰空洞范圍達(dá)到 30%時(shí)，拱頂單元截面安全系數(shù)減小至 10.81，拱肩單元減小至6.96，拱腰單元減小至6.38.詳細(xì)比較圖2、4和6，根據(jù)整體安全系數(shù)變化的大小，進(jìn)一步了解水空洞的位置對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全影響的差異，其中拱頂空洞的影響最大，拱肩次之，拱腰最小.當(dāng)襯砌背后含水空洞范圍大于10°時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備將明顯下降，必須采取有效措施，確保隧道結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性.

圖6 右側(cè)拱腰不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

圖7 右側(cè)拱腰不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)

圖7表明，在小范圍拱腰空洞時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)呈小幅度增大，隨后迅速減小.表明了拱腰小范圍充水空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形不大，但由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受到的外力的減小，截面的最小安全系數(shù)將有所增加.而隨著脫空范圍增大，圍巖的約束作用改變，隨著襯砌偏壓荷載增大，襯砌結(jié)構(gòu)變形將增加，最小安全系數(shù)逐步減小.

3 結(jié)論

本文以某分離式六車道高速公路隧道為例，基于有限元方法，計(jì)算分析了隧道襯砌背后拱頂、拱肩和拱腰處存在不同范圍含水空洞的襯砌結(jié)構(gòu)安全狀況，根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)分析，主要有以下結(jié)論：

(1)隧道襯砌在無空洞時(shí)，各單元結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最大.其中，拱頂處有最大值，拱腳處有最小值.

(2)隨著拱頂和拱肩含水空洞范圍的增大，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和最小安全系數(shù)整體呈逐步下降趨勢(shì)，而拱腰處存在小范圍拱腰空洞時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)呈小幅度增大，爾后迅速減小.

(3)拱頂含水空洞將使隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)變化最大，拱肩次之，拱腰最小.

(4)當(dāng)襯砌背后含水空洞范圍大于 10°時(shí)，由于襯砌結(jié)構(gòu)的偏壓荷載將使隧道結(jié)構(gòu)的變形和受力增大，隧道結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備將明顯下降.此時(shí)，必須采取有效措施，確保隧道結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性.

［1］周成濤,陳俊濤.襯砌背后矩形空洞對(duì)隧道初支應(yīng)力分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2012,35(12)：106-111.

［2］張素磊,張頂立,劉勝春,陳峰賓.基于對(duì)應(yīng)分析模型的隧道襯砌病害主成因挖掘 ［J］.中國鐵道科學(xué).? 2012(02)：55-58.

［3］袁成海,湯曉輝,伍毅敏.隧道二次襯砌空洞的成因與對(duì)策［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化,2010,221：109-112.

［4］張素磊,張頂立,劉勝春等.基于對(duì)應(yīng)分析模型的隧道襯砌病害主成因挖掘 ［J］.中國鐵道科學(xué),2012, 33(2)：54-58.

［5］WANG J F,HUANG H W,XIE X Y,et al.Void-induced liner deformation and stress redistribution［J］.Tunneling and Underground Space Technology,2014,40(2)：263-276.

［6］張成平,馮崗,張旭等.襯砌背后雙空洞影響下隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)分析 ［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2015,37 (3)：487-493.

［7］JTG D70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社,2004.

［8］SL279-2002水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社,2002.

［責(zé)任編輯：王曉軍］

Impact Analysis of Water-filled Cavities behind Lining for Tunnel Structure Safety

HUANG Ling1，CHEN Feixin2
(1.Guangdong Provincial Academy of Building Research,Guangzhou 51500；2.College of Electromechanical Engineering,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou 510665,China)

The existence of water-filled cavities behind lining leads to the more complicated stress for tunnel, which might easily cause tunnel disasters.In a separate six-lane highway tunnel,for example,use MIDAS/GTS finite element software,to establish the load structure model of water-filled cavities,respectively calculate and analyze the safety situation of cavities with water tunnel section structure in different range of vault,arch and haunch.The calculation shows that tunnel lining without cavities has the largest structural safety factor.The cavities with water of vault have greatest impact for lining structural safety situation.When the range of cavities with water behind lining is more than 10°,tunnel structure safety margin will be significantly decreased.

highway tunnel;lining;water-filled cavities;safety factor

TU 997

B

1672-402X（2016）08-0037-04

2016-03-20

廣東技術(shù)師范學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目（4090108）

黃玲（1988-），女，廣東興寧人，碩士，廣東省建筑科學(xué)研究集團(tuán)股份有限公司工程師，研究方向：隧道與地下工程.

陳飛昕（1981-），女，福建仙游人，博士，廣東技術(shù)師范學(xué)院講師，研究方向：結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論及其應(yīng)用.