某鐵路隧道襯砌拱腰拉裂拱頂壓潰病害原因探析

沈 雷

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

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某鐵路隧道襯砌拱腰拉裂拱頂壓潰病害原因探析

沈 雷

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

隧道襯砌缺陷致害研究是當(dāng)前熱點，對襯砌病害產(chǎn)生原因進(jìn)行探析對隧道施工及設(shè)計來說尤為重要。通過結(jié)合相關(guān)資料、建立FLAC2D二維模型對某隧道出現(xiàn)的拱腰拉裂、拱頂壓潰病害原因進(jìn)行初探，研究結(jié)果表明：(1)拱頂背后存在空洞是引起隧道襯砌拱腰拉裂、拱頂壓潰病害的主要原因。(2)拱頂背后存在空洞將引起襯砌受力發(fā)生顯著變化，具體表現(xiàn)為拱部由襯砌背后無脫空工況下的洞內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變成洞外側(cè)受拉，且拱頂襯砌內(nèi)表面處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中。

鐵路隧道；拱腰裂縫；拱頂壓潰；病害原因；數(shù)值分析

隨著我國鐵路建設(shè)不斷發(fā)展，鐵路隧道數(shù)量與日俱增。但由于設(shè)計、施工等原因，襯砌開裂、滲水及襯砌背后脫空等病害頻有發(fā)生[1-3]，其中屬裂縫病害最為嚴(yán)重[4]。

針對隧道襯砌裂縫病害問題，相關(guān)學(xué)者已做了一些研究。在裂縫分類方面，李武[5]將裂縫歸納為中墻與拱結(jié)合部水平裂縫、墻部和拱部垂直裂縫和襯砌環(huán)垂直裂縫3類。在裂縫產(chǎn)生原因方面，文獻(xiàn)[6-8]指出其主要受偏壓荷載、設(shè)計、施工以及不均勻沉降4個因素的影響。在發(fā)展規(guī)律及預(yù)測方面，黃宏偉[9]基于擴(kuò)展有限元對隧道襯砌裂縫開裂規(guī)律及擴(kuò)展過程進(jìn)行了研究。王建秀[10]通過對連拱隧道裂縫的監(jiān)測分析，指出裂縫運動存在時效特性。張永興[11]建立溫度影響下裂紋擴(kuò)展模型，對裂縫短期發(fā)展情況進(jìn)行了預(yù)測研究。在縱向裂縫對承載力的影響方面，劉學(xué)增[12]通過模型試驗，提出了裂縫處襯砌剛度計算的梁彈簧模型。王華牢[4]采用剛度退化模型對隧道承載力進(jìn)行了評價。在整治措施方面，楊建龍[13]探討了南京地鐵隧道裂縫整治措施，針對不同裂縫提出相應(yīng)的治理方法。王華牢[4]采用剛度退化模型對縱向裂縫的隧道進(jìn)行承載力評價并提出了不同等級的加固措施。雷波等[14]采用數(shù)值模擬對隧道襯砌拱肩背后空洞引起的襯砌開裂形態(tài)進(jìn)行了研究。王睿[15]介紹了對襯砌裂縫檢測系統(tǒng)采集的裂縫圖像進(jìn)行處理的方法。

但某些隧道基于一些未知原因引起襯砌受力發(fā)生劇變，在產(chǎn)生裂縫的同時還出現(xiàn)了少見拱頂壓潰病害。然而當(dāng)前對拱頂壓潰病害相關(guān)研究卻鮮有報道，本文在對某隧道拱頂壓潰原因初探的基礎(chǔ)上，通過FLAC2D軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行分析驗證，得到拱腰拉裂、拱頂壓潰的原因，研究成果可為今后類似工程提供一定借鑒。

1 問題提出

隧道建成后在自然界降水作用及土層被擾動后進(jìn)行的長期固結(jié)作用下，洞周地層中的應(yīng)力與隧道設(shè)計或剛建時已發(fā)生了較大變化，若發(fā)生襯砌不能抵抗后期應(yīng)力發(fā)生的變化時將產(chǎn)生各類裂縫形式來表現(xiàn)它所遭受的各種無法承受的內(nèi)力。某鐵路隧道已運營十余年，2013年秋檢僅發(fā)現(xiàn)該隧道出現(xiàn)一些細(xì)微裂縫，但在2014年3月對該隧道進(jìn)行病害檢查時卻發(fā)現(xiàn)襯砌存在大量縱向貫通裂縫的同時還伴有少量環(huán)向裂縫和斜裂縫，此外拱頂混凝土甚至出現(xiàn)了壓潰并掉塊現(xiàn)象(圖1)。

圖1 隧道襯砌病害

隧址區(qū)氣候?qū)賮啛釒貪駳夂?，降水較為充沛，且隧道前期勘察表明地下水不發(fā)育。此外該隧道襯砌漏水病害不嚴(yán)重，僅隧道出口段襯砌存在輕微襯砌漏水病害，其余未發(fā)現(xiàn)襯砌漏水情況。病害段埋深約30 m，部分區(qū)段圍巖有一定程度劣化，地層為泥巖夾砂巖，隧道支護(hù)采用整體式襯砌，支護(hù)參數(shù)詳見圖2。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)斷面(單位：cm)

2 病害原因初探

2.1 病害原因分析

病害檢查時發(fā)現(xiàn)裂縫主要集中在拱腰處，而邊墻甚少，且拱腰處裂縫破壞程度較中墻處更為嚴(yán)重。該段隧道左拱腰縱向裂縫寬度最大達(dá)10 mm、裂縫最長大于30 m(連續(xù)跨越4模襯砌)，下側(cè)外錯6 mm(指向隧道凈空內(nèi)為外，下同)，可探深度大于15 cm，縫中夾有小碎塊；拱部壓潰多呈點狀、塊狀出現(xiàn)，混凝土剝落為片形張開狀，最大寬度12 cm、深度3 cm。此外，無損檢測、注漿孔檢測顯示隧道襯砌背后存在局部脫空，且拱頂襯砌厚度大多在30～45 cm，小于設(shè)計厚度。

根據(jù)檢測報告初步判定該隧道出現(xiàn)襯砌拱腰拉裂、拱頂壓潰主要原因是由于隧道襯砌背后存在空洞，尤其是襯砌拱部存在局部空洞，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖不密貼，引起圍巖壓力分布不均，對襯砌結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響。此外再加上因施工等因素導(dǎo)致拱頂襯砌厚度未達(dá)到設(shè)計要求以及受當(dāng)時歷史條件所限該隧道支護(hù)形式為整體式襯砌、混凝土材料等級為C20，相比當(dāng)前普遍采用的隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)形式和較高級別的混凝土材料均存在一定的不足，最終導(dǎo)致隧道襯砌發(fā)生拱腰拉裂、拱頂壓潰的現(xiàn)象。

2.2 數(shù)值分析2.2.1 模型的建立

采用FLAC2D軟件建立二維模型對襯砌受力進(jìn)行分析，對隧道拱頂壓潰原因進(jìn)行初步驗證。所選隧道斷面高10.5 m，寬8.9 m，埋深30 m。根據(jù)所選取的斷面，將襯砌的受力狀態(tài)簡化為平面應(yīng)變問題，建立如圖3所示模型，為保證模型邊界不受隧道開挖的影響，沿模型X方向取120 m，沿Y方向由地表向下取80 m。

圖3 模型示意 (單位：m)

土體采用實體單元模擬，襯砌采用liner單元模擬。邊界條件為：底面水平、豎向雙向約束，側(cè)面水平單向約束。計算主要討論隧道建成后運營階段的襯砌受力情況，因此不考慮隧道開挖過程對圍巖擾動的影響，隧道一次開挖成型，施做襯砌，承擔(dān)圍巖荷載。

2.2.2 參數(shù)選取與工況擬定

計算的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及襯砌力學(xué)參數(shù)

根據(jù)隧道病害原因的初步分析，擬定計算工況。由于襯砌厚度不均勻在計算中難以分析，故工況設(shè)計主要針對襯砌背后有無空洞考慮?；诂F(xiàn)場空洞檢測情況，對拱部襯砌背后空洞范圍進(jìn)行假定：空洞高度取為30 cm，寬度取為1.5 m，如圖4所示。

圖4 拱部襯砌背后空洞(單位：m)

2.2.3 計算結(jié)果分析

(1)彎矩分析

有無空洞兩種工況下襯砌彎矩分布見圖5，規(guī)定襯砌洞內(nèi)側(cè)受拉為正?？梢姰?dāng)拱部背后存在假定大小空洞時，襯砌拱頂位置將由無空洞工況下的洞內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷰r側(cè)受拉，而襯砌拱腰位置則由無空洞工況下的圍巖側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槎磧?nèi)側(cè)受拉。

圖5 襯砌彎矩分布

兩工況典型位置的彎矩值如表2所示，對比兩個工況不難發(fā)現(xiàn)，相比襯砌背后無脫空，襯砌拱頂背后存在空洞對襯砌受力影響顯著：拱部彎矩由正值變?yōu)樨?fù)值，且量值大增，具體表現(xiàn)為拱頂位置(A點)的彎矩由108 kN·m變?yōu)?393 kN·m，彎矩方向發(fā)生轉(zhuǎn)變的同時量值增大了3.6倍；拱腰位置(B點)彎矩由-55.6 kN·m變化為208.3 kN·m，彎矩方向改變的同時量值增大了3.7倍，而邊墻中部及邊墻底部彎矩值基本不變，受空洞影響有限。

此外還可知當(dāng)襯砌背后存在空洞時拱腰處彎矩較邊墻中部彎矩大，且均為洞內(nèi)側(cè)受拉，故相同條件下，拱腰處將會先于邊墻中部開裂。計算結(jié)果與現(xiàn)場出現(xiàn)的病害形式有較好的一致性，因此初步判斷存在空洞是引起隧道襯砌拱腰拉裂主要原因之一。

表2 典型位置彎矩 kN·m

(2)應(yīng)力分析

有無空洞兩種工況下襯砌典型位置截面的最大應(yīng)力見表3，數(shù)值模擬時襯砌拱頂厚度考慮了30、50 cm兩種情況，而邊墻墻腳厚度取80 cm。

表3 典型位置截面的應(yīng)力 MPa

注：外表面指靠圍巖側(cè)，內(nèi)表面指靠近隧道凈空側(cè)。

結(jié)果表明:①襯砌厚度取50 cm時，無空洞時襯砌內(nèi)外表面應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力位置位于邊墻中部，大小為6.12 MPa，小于混凝土的抗壓強度(混凝土強度參數(shù)見表4)，不會出現(xiàn)襯砌壓潰現(xiàn)象；而襯砌背后存在空洞時最大壓應(yīng)力存在位置由邊墻中部移到拱頂部位內(nèi)表面，且數(shù)值達(dá)到12 MPa，約為襯砌背后無脫空工況下同位置(0.52 MPa)的23倍，大于C20混凝土的彎曲抗壓強度設(shè)計值(11 MPa)。②襯砌厚度取30 cm且拱頂襯砌背后存在空洞時(厚度不足)，襯砌拱頂位置內(nèi)表面壓應(yīng)力高達(dá)17 MPa，接近C20混凝土的極限抗壓強度，現(xiàn)場表現(xiàn)為拱頂壓潰；拱腰位置內(nèi)表面拉應(yīng)力達(dá)到1.2 MPa，接近C20混凝土的抗拉強度，現(xiàn)場表現(xiàn)為拱腰拉裂。

表4 混凝土強度參數(shù)

綜上所述，正是由于襯砌背后存在空洞，導(dǎo)致襯砌受力發(fā)生劇變：(1)襯砌拱頂、拱腰位置受空洞影響顯著，具體表現(xiàn)為襯砌拱頂位置將由無空洞工況下的洞內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷰r側(cè)受拉，而襯砌拱腰位置則由無空洞工況下的圍巖側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槎磧?nèi)側(cè)受拉；(2)襯砌拱頂內(nèi)表面出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，大小接近混凝土極限抗壓強度，此外又有襯砌厚度不足及混凝土強度低的原因，最終導(dǎo)致隧道拱腰拉裂與拱頂壓潰。

3 現(xiàn)場勘測結(jié)果

通過噴錨法對隧道襯砌進(jìn)行整治時，發(fā)現(xiàn)壓潰的襯砌背后確實有空洞存在?；谝r砌破壞的形式相似，在對空洞進(jìn)行量測基礎(chǔ)上取其中一處為代表進(jìn)行說明，如圖6所示，該斷面的襯砌最薄處僅30 cm，只有設(shè)計厚度(50 cm)的60%，拱頂空洞徑向最大為20 cm。

現(xiàn)場檢測及整治情況說明隧道拱部存在空洞是襯砌拱腰拉裂與拱部壓潰的主要原因之一，同時也驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖6 隧道某斷面空洞示意

4 結(jié)論

(1)隧道拱部襯砌背后存在空洞引起襯砌受力產(chǎn)生劇變，是引起隧道襯砌拱腰拉裂、拱頂壓潰病害的主要原因。

(2)當(dāng)拱部背后存在空洞時，襯砌拱頂位置將由無空洞工況下的洞內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷰r側(cè)受拉，而襯砌拱腰位置則由無空洞工況下的圍巖側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槎磧?nèi)側(cè)受拉，且有空洞工況下彎矩方向改變的同時還伴有內(nèi)力量值大增的情況。

(3)拱部襯砌背后存在空洞將引起該位置襯砌內(nèi)表面出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，本文案例中拱頂襯砌滿足設(shè)計厚度50 cm時，壓應(yīng)力最大值達(dá)12 MPa，而襯砌厚度僅為30 cm，壓應(yīng)力最大值高達(dá)17 MPa，對襯砌受力極為不利，現(xiàn)場表現(xiàn)為拱頂壓潰。

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An Approach to Lining Arch Crown Collapse and Haunch Crack in a Railway Tunnel

SHEN Lei

(China Railway No.18th Construction Bureau Group， Tianjin 300222， China)

The lining haunch crack and arch crown collapse takes place in the railway tunnel and impacts directly the safety of the tunnel structures. With reference to the relative information and based on the researches on the causes， a two-dimensional numerical simulation model is built with FLAC2D software to analyze the causes of haunch crack and arch crown collapse. The research results show that (1) holes behind the vault are the main factor causing haunch crack and arch crow collapse; (2) the presence of cavity behind vault causes the change of lining stress significantly， which results in lateral tension of the hole turning from inner pull when there is no cavity behind the lining， meanwhile， compressive stress concentration appears at the inner surface of the arch crown lining．

Railway tunnel; Haunch crack; Arch crown collapse; Damage cause; Numerical analysis

2016-04-06；

2016-04-20

沈 雷(1984—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:897270123@qq.com。

1004-2954(2016)11-0096-04

U457+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.021