有壓隧洞頂拱襯砌留有孔隙的結(jié)構(gòu)性研究

孫露（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

有壓隧洞頂拱襯砌留有孔隙的結(jié)構(gòu)性研究

孫露
（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

隧洞襯砌施工，受其結(jié)構(gòu)特殊性影響，頂拱難以澆筑密實(shí)，常與頂部巖體留有孔隙，具有這種質(zhì)量缺陷的襯砌問(wèn)題，常給運(yùn)行帶來(lái)較大隱患。文中結(jié)合某圓形有壓隧洞頂拱襯砌厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)，研究了其質(zhì)量缺欠的特性，通過(guò)FLAC計(jì)算：頂拱襯砌留有孔隙，對(duì)洞室安全運(yùn)行具有較大影響，通過(guò)回填灌漿，可以顯著減小頂拱部位最大剪應(yīng)力，降低危害程度。

隧洞襯砌；質(zhì)量缺陷；回填灌漿；工程質(zhì)量

1　引言

頂拱澆筑的特點(diǎn)是只能一次連續(xù)進(jìn)料、入倉(cāng)進(jìn)料口少、澆筑層次不易分清［1-3］。灌入量的多少通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷，常通過(guò)進(jìn)料口數(shù)量、下一個(gè)進(jìn)料口的變化以及預(yù)埋排氣管路，判斷倉(cāng)內(nèi)澆筑面積與厚度，具有較大的不確定性。頂拱襯砌混凝土澆筑工藝不易控制，常用退管法，澆筑后期壓力調(diào)制低速擋，時(shí)刻注視壓力變化，防止混凝土灌滿后仍灌注導(dǎo)致模板變形，同時(shí)又需注意未灌滿留有孔隙。實(shí)踐表明，頂拱襯砌厚度不足是隧洞工程施工的通病，不易控制是難點(diǎn)，后期運(yùn)行由于頂拱厚度不足，回填灌漿不飽滿，遇巖體裂隙水豐富地帶結(jié)合內(nèi)外水壓差，導(dǎo)致剪應(yīng)力增大，易破壞頂拱襯砌結(jié)構(gòu)，常發(fā)生工程質(zhì)量事故。

2　計(jì)算的依據(jù)

結(jié)合某隧洞工程襯砌后的檢測(cè)，進(jìn)口段300 m已完襯砌段，頂拱厚度不足，設(shè)計(jì)要求50 cm，實(shí)檢頂拱最大襯砌厚度46.5 cm、最小26 cm，平均厚度不足40 cm。計(jì)算邊界條件，模擬隧洞頂拱襯砌厚度不足、周圍巖體力學(xué)特征、環(huán)向施工縫。

3　模型應(yīng)用與計(jì)算內(nèi)容

3.1模型應(yīng)用

1）為掌握最不利斷面的承載能力，選擇最薄厚度26 cm所在樁號(hào)C0+196為研究斷面。在一定洞段范圍內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載作用力，承載力距研究斷面由遠(yuǎn)漸小，根據(jù)彈塑性理論原理，洞段長(zhǎng)度選取孔隙的2×3倍，測(cè)量孔隙寬度約1.85 m，則計(jì)算洞段長(zhǎng)為11.1 m?？紫逗穸炔煌瑢?duì)外荷載承載能力也不盡相同，加權(quán)計(jì)算可采用的頂拱襯砌厚度值為31.8 cm。

2）回填灌漿可最大限度充填頂拱孔隙，但仍存在兩個(gè)技術(shù)難題，一是新老混凝土膠結(jié)形成的薄弱帶，二是灌入漿液在凝固及強(qiáng)度提高過(guò)程中產(chǎn)生的收縮，造成新老混凝土不易成為整體共同承受荷載。為準(zhǔn)確掌握頂拱受力狀態(tài)，按兩種情況進(jìn)行計(jì)算，一是偏保守，即不考慮回填灌漿，二是考慮回填灌漿，同時(shí)考慮薄弱帶與混凝土收縮。顯然，第二種更接近于實(shí)際。

3.2計(jì)算研究?jī)?nèi)容

頂拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)變化；腰拱附近襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)；襯砌結(jié)構(gòu)周圍巖體應(yīng)力變化。

4　基礎(chǔ)參數(shù)

1）巖體力學(xué)參數(shù)，詳情見(jiàn)表1。

表1　巖體力學(xué)參數(shù)情況統(tǒng)計(jì)表

2）襯砌混凝土力學(xué)參數(shù)，詳情見(jiàn)表2。

表2　襯砌混凝土力學(xué)參數(shù)情況統(tǒng)計(jì)表

3）荷載邊界條件。地應(yīng)力：覆蓋層厚度為41 m；測(cè)壓系數(shù)重力加速度作用下生成地應(yīng)力場(chǎng)；襯砌混凝土和滿水自重；內(nèi)水壓1.6 MPa，外水壓0.05 MPa。

5　研究方法

為研究襯砌后應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)變化情況，選用巖土工程常用的數(shù)值分析軟件FLAC來(lái)進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析，對(duì)隧洞周圍巖體及襯砌后結(jié)構(gòu)體采用摩爾-庫(kù)倫模型計(jì)算，共劃分為約1 600個(gè)單元，網(wǎng)絡(luò)劃分圖詳情見(jiàn)圖1，2所示。

圖1不進(jìn)行回填灌漿的單元?jiǎng)澐?/p>

圖2進(jìn)行回填灌漿的單元?jiǎng)澐?/p>

隧洞工程改變了原地應(yīng)力場(chǎng)平衡，爆破開(kāi)挖、初支及襯砌完成后地應(yīng)力場(chǎng)重新生成。計(jì)算分兩步走，一步重點(diǎn)計(jì)算巖體未開(kāi)挖前受自重影響初始地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)；二步重點(diǎn)研究在一步基礎(chǔ)上，隧洞受開(kāi)挖與襯砌影響后，重新生成應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)問(wèn)題。

6　計(jì)算結(jié)果分析

6.1不進(jìn)行回填灌漿

不回填灌漿，通過(guò)FLAC模型分析，無(wú)論是周圍巖體還是襯砌結(jié)構(gòu)，其最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力（+），且隧洞周邊最小主應(yīng)力值均較?。ㄐ∮?.25 MPa），其中頂拱襯砌部分由于有孔隙，內(nèi)外均為臨空自由面，最小主應(yīng)力值為最小，其值僅為0.058 MPa。最大主應(yīng)力在兩側(cè)腰拱及以下部位也均為壓應(yīng)力（+），受澆筑混凝土施工縫卸壓作用，最大主應(yīng)力值也較小（1.257 MPa），然而在頂拱部位最大主應(yīng)力值較大（2.95 MPa），推算頂拱部位最大剪應(yīng)力值（1.42 MPa）較大，運(yùn)行隱患較大。左右兩側(cè)向拱內(nèi)方向位移約為1.3 mm，頂拱部位下沉量約為2.39 mm，仰拱向上位移量約為3.53 mm。

6.2進(jìn)行回填灌漿

采用回填灌漿，通過(guò)FLAC模型分析，周圍巖體和襯砌結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力仍為壓應(yīng)力（+），頂拱部位最小主應(yīng)力值（0.19 MPa）、最大主應(yīng)力值（2.21 MPa），推算最大剪應(yīng)力值為0.86 MPa，回填灌漿后，最大剪應(yīng)力值明顯降低。左右兩側(cè)向拱內(nèi)方向位移約為1.1 mm，頂拱部位下沉量約為2.8 mm，仰拱向上位移量約為3.32 mm。

6.3 FLAC結(jié)果對(duì)比分析

結(jié)果表明，頂拱澆筑完成后是否進(jìn)行回填灌漿，對(duì)周圍巖體與襯砌結(jié)構(gòu)的最大（?。┲鲬?yīng)力、剪應(yīng)力有不同程度影響，進(jìn)行回填灌漿后聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)所承受剪應(yīng)力明顯變小，分述如下：

1）是否進(jìn)行回填灌漿，襯砌結(jié)構(gòu)的最大（?。┲鲬?yīng)力均為壓應(yīng)力（+），結(jié)合混凝土耐壓特點(diǎn)，最大（?。┲鲬?yīng)力均利于自身結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載作用。

2）兩種方案壓應(yīng)力均較小，相比較而言，考慮回填灌漿的壓應(yīng)力值相對(duì)較大，但頂拱部位的最大主應(yīng)力值除外。

3）是否進(jìn)行回填灌漿，頂拱襯砌結(jié)構(gòu)均存在剪應(yīng)力的不利影響，不進(jìn)行回填灌漿，其值為1.42 MPa，進(jìn)行回填灌漿，其值為0.86 MPa，后者比前者剪應(yīng)力值降低了39.4%，回填灌漿效果明顯。

4）是否進(jìn)行襯砌后的回填灌漿，頂拱與仰拱位移值均變化不大，在可控范圍內(nèi)，進(jìn)行回填灌漿后，受自重、壓力等方面影響，頂拱下沉位移值略增加。

6.4 FLAC結(jié)果特征

應(yīng)用FLAC軟件計(jì)算分析兩種方案，詳情見(jiàn)表3。

表3 FLAC計(jì)算結(jié)果特征值統(tǒng)計(jì)表

7　結(jié)論

工程實(shí)踐表明，隧洞工程進(jìn)行回填灌漿是必要的，也是必須進(jìn)行的一道工序。通過(guò)FLAC軟件建模，對(duì)比分析了是否進(jìn)行回填灌漿對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)及周圍巖體的應(yīng)力-應(yīng)變帶來(lái)的影響，通過(guò)有效的回填灌漿，可顯著降低頂拱襯砌結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力（降低39.4%），最大程度的避免混凝土薄弱特性拉應(yīng)力，為工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供保障。

［1］李盛青，敖昕，李鋒.溪洛渡導(dǎo)流洞襯砌混凝土溫控防裂研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào).2014［12］：97-100.

［2］于厚文.全圓隧洞針梁模板臺(tái)車混凝土襯砌分區(qū)施工技術(shù)［J］.東北水利水電.2016［1］：20-22.

［3］湯雷，王宏.白山嘴隧洞頂拱襯砌厚度不足對(duì)結(jié)構(gòu)性態(tài)影響研究［J］.水利學(xué)報(bào)（增刊）.2007［10］：106-110.

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