不同脫空模式下隧道結構安全狀態(tài)分析

葉藝超，彭立敏，雷明鋒, 2，林越翔

?

不同脫空模式下隧道結構安全狀態(tài)分析

葉藝超1，彭立敏1，雷明鋒1, 2，林越翔1

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

結合范家溝隧道工程，基于荷載?結構法平面計算分析模型，設置不同脫空范圍及不同脫空模式，分析襯砌脫空對在役隧道結構安全性的影響規(guī)律。研究結果表明：脫空的影響主要集中在空洞范圍內及其鄰近位置處，脫空的范圍越大，影響的范圍也越大；襯砌不同位置對脫空的敏感性表現(xiàn)為：拱腰>拱頂>脫空鄰近處，且拱腰鄰近處>拱頂鄰近處，較之拱頂脫空的情況，拱腰處出現(xiàn)脫空時對結構更為不利；特征位置安全系數(shù)與結構最小安全系數(shù)隨脫空范圍的增大均表現(xiàn)為先增大后急劇減小，正彎矩處輕度的脫空可以有效改善隧道結構的受力形態(tài)，而重度脫空將使結構承載性能大幅降低。根據(jù)計算與統(tǒng)計結果，劃分脫空病害等級，并界定相應的處治措施。同時討論人為在結構正彎矩處設置輕度脫空的可行性，并初步提出設置方案。

隧道工程；襯砌脫空；脫空模式；結構安全性；脫空病害等級；處治措施

隨著交通工程建設的飛速發(fā)展，中國已成為世界上隧道工程最多、最復雜、發(fā)展最快的國家。截至2013年年底，我國運營隧道總里程已位列世界第一。其中鐵路隧道11 074座，總延長約8 939 km；公路隧道11 359座，總延長約9 606 km[1]。目前，我國隧道已經(jīng)進入“高維修”管理期[2]，隧道病害對結構服役安全的影響越來越被學界與工程界所重視，王夢恕提出：隧道的缺陷或病害問題是世界性問題，在我國尤為突出，因此，要改變以往“重建設，輕維修，輕整治”的理念[1]。襯砌背后空洞是嚴重的隧道病害之一，根據(jù)對我國廣東梅汕鐵路公司103座隧道的無損檢測，測線長34.4 km，其中襯砌背后存在空洞長度占測線總長的7.8%[3]。寧波11座國省道公路隧道無損檢測后，共查出169處襯砌背后空洞。襯砌背后空洞占所檢測總長度的11.3%[4]。張頂立團隊對100余座鐵路運營隧道進行襯砌無損檢測工作和評估工作，得到襯砌背后接觸松散和空洞段隧道長度占檢測總長度的比例高達11.56%[5]。石家莊鐵道學院對貴廣鐵路18座隧道的二次襯砌進行無損檢測，檢測出47處襯砌背后脫空，占總檢測長度14.78%。據(jù)TA[6]報告，美國的2條污水隧道、一條輸水隧道及日本的一條交通運輸隧道均由于襯砌脫空而使得隧道襯砌產生了破壞。襯砌脫空如圖1所示。

圖1 襯砌脫空照片

大量的工程檢測結果與實例已經(jīng)說明了脫空病害的普遍性與嚴峻形勢。為此，廣大科研工作者采用數(shù)值模擬分析、理論推導及室內試驗等不同技術手段，對隧道襯砌脫空的問題開展了大量工作，取得了諸多有價值的研究成果。如WANG等[7?11, 14]采用數(shù)值模擬，分析了襯砌背后空洞對隧道結構內力及安全性的影響規(guī)律；吳江濱[12]基于平面復變函數(shù)法推導了含襯砌背后空洞時圍巖三次應力與襯砌內力計算公式；Leung等[13?15]采用室內模型試驗探究了襯砌背后空洞存在時襯砌結構的變形規(guī)律和承載特性?，F(xiàn)有的成果多是針對單一空洞的情況，且空洞的設置常具有較強的主觀性，而對于考慮工程實際的多空洞之間相互作用下隧道結構安全性研究仍有不足，特別是脫空病害的分類定級及處治措施界定方面仍有大量工作需要開展。本文基于西成鐵路范家溝隧道工程，采用荷載-結構法，針對不同范圍、不同位置及不同組合形式的脫空狀態(tài)開展較為系統(tǒng)的計算分析，以期完善對隧道結構安全性影響規(guī)律的研究。

1 工程背景與脫空病害統(tǒng)計

范家溝隧道長1 099 m，最大埋深約90 m。隧區(qū)屬低山區(qū)剝蝕地貌，地表上覆粉質黏土層，下伏泥巖夾砂巖，以軟質巖為主，節(jié)理裂隙多呈閉合狀，整體屬Ⅳ級軟石；地下水賦存條件差，為弱含水巖組；線路右側巖層產狀為順層，屬不良地質。范家溝隧道Ⅳ級圍巖襯砌設計斷面見圖2。

依據(jù)《西成鐵路范家溝隧道工程地質雷達檢測報告》，范家溝隧道脫空病害統(tǒng)計結果見表1。

范家溝隧道脫空病害檢測結果與寧波地區(qū)11座公路隧道以及貴廣鐵路18座隧道的無損檢測結果基本是一致的，即隧道拱頂位置處的襯砌脫空最為嚴重，拱腰處次之，拱角及拱底幾乎不存在空洞。因此，本文主要考慮拱頂與拱腰脫空的情況，基于此設計計算工況如表2所示。為便于后續(xù)的作圖與分析，分別以V，VRH和VLRH表示“拱頂脫空”、“拱頂+右拱腰脫空”及“拱頂+左拱腰+右拱腰脫空”模式。

單位：cm

表1 范家溝隧道脫空病害統(tǒng)計表

注：拱頂與單側拱腰同時出現(xiàn)脫空4次；拱頂與雙側拱腰同時出現(xiàn)脫空1次

表2 計算工況

2 計算分析

2.1 計算模型

以范家溝隧道為基準分析模型，襯砌脫空部位不加抗力彈簧，建立荷載?結構法計算模型如圖3所示。為便于分析，自拱底中心截面起，按順時針方向對各截面進行編號，截面號分別為1~67，其中17，35與52號截面分別為左拱腰、拱頂與右拱腰脫空處中心截面。

圍巖等級為Ⅳ級，襯砌為C30模筑混凝土，厚度45 cm，材料物理力學參數(shù)見表3。隧道拱頂埋深取50 m，荷載參照《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70—2004)相關規(guī)定計算得到：豎向均布荷載=104.13 kN/m，水平均布荷載=31.24 kN/m。

2.2 無脫空下襯砌內力分布與安全系數(shù)

襯砌結構軸力與彎矩是《公路隧道設計規(guī)范》規(guī)定的安全系數(shù)計算的基礎數(shù)據(jù)，其計算流程詳見規(guī)范相關內容。襯砌背后無脫空時，計算得到隧道襯砌軸力、彎矩及相應各截面的安全系數(shù)分布規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，在拱頂、拱腰與拱底部分截面彎矩為正值(襯砌內側受拉)，在拱肩與拱角處的彎矩為負值(襯砌內側受壓)，正、負彎矩的最大值分別出現(xiàn)在拱頂與拱肩處，就彎矩絕對值而言又以拱頂為最大，該位置也成為安全系數(shù)最小的截面。

圖3 分析基準模型

表3 物理力學計算參數(shù)

2.3 不同脫空模式下襯砌內力分布規(guī)律

不同脫空模式下襯砌截面軸力與彎矩分布規(guī)律如圖5和圖6所示。對比圖4和圖5~6可知，脫空的存在改變了圍巖與襯砌的接觸狀態(tài)，導致襯砌截面內力分布規(guī)律發(fā)生了顯著改變。根據(jù)軸力計算結果(圖5)，隨著脫空范圍的增大，襯砌軸力基本保持線性關系逐步減小，且對于同一脫空范圍，不同脫空模式下軸力分布基本不變。因此，襯砌軸力主要與脫空范圍有關，而與脫空模式關系較小。與軸力不同的是，彎矩(圖6)與脫空范圍及脫空模式均息息相關，且變化規(guī)律也不再是單調的，而表現(xiàn)出“協(xié)調”的變化關系。隨著脫空范圍的增大，脫空處襯砌截面彎矩由正值先減小至0，后反向增大。脫空鄰近處的襯砌截面彎矩變化恰恰與之相反。

(a) 彎矩/(kN·m)；(b) 軸力/kN；(c) 安全系數(shù)

圖5 不同脫空模式下襯砌截面軸力

V脫空模式下，發(fā)生彎矩反轉的部位集中在拱頂與拱肩。45°脫空時，變化最大為拱肩27號截面，彎矩由?53.69 kN·m變化為102.56 kN·m，增幅近200%；VLRH脫空模式下，拱頂與兩側的拱肩、拱腰與拱角部位的彎矩均發(fā)生了“反轉”，45°脫空時，變化最大拱腰17號截面(或52號截面)彎矩由13.30 kN·m變化為?244.33 kN·m，增大了近17倍；VRH脫空模式下，拱頂與右側的拱肩、拱腰與拱角部位的彎矩發(fā)生了“反轉”，彎矩的分布不再對稱，隧道結構受偏壓效應的影響導致右側比左側襯砌截面更大的彎矩作用，最大值出現(xiàn)在右側拱腰脫 空處。

(a) V脫空模式下襯砌截面彎矩； (b) VRH脫空模式下襯砌截面彎矩；(c) VLRH脫空模式下襯砌截面彎矩

2.4 襯砌脫空對隧道結構安全性的影響規(guī)律

根據(jù)襯砌內力的計算結果得到的不同脫空模式下隧道結構各截面安全系數(shù)如圖7所示。

1) 整體分析

從圖7可知，不同脫空模式下隧道結構整體的安全系數(shù)分布具有明顯的演化規(guī)律?？偨Y以后可以得到以下幾點認識：

①脫空的影響主要集中在空洞范圍內及其鄰近位置處，脫空的范圍越大，影響的范圍也越大。較之拱頂脫空的情況，拱腰處出現(xiàn)脫空時對結構安全性更為不利。

(a) 脫空5°襯砌截面安全系數(shù)；(b) 脫空15°襯砌截面安全系數(shù)；(c) 脫空20°襯砌截面安全系數(shù)；(d) 脫空25°襯砌截面安全系數(shù)； (e) 脫空35°襯砌截面安全系數(shù)；(f) 脫空45°襯砌截面安全系數(shù)

②當脫空范圍較小(0°~15°)時，較之無脫空情況，襯砌結構各截面安全系數(shù)有所增加，特別是拱頂脫空處及其鄰近位置增幅明顯。比如，拱頂35號截面無脫空下安全系數(shù)為3.72，拱頂15°脫空下安全系數(shù)已增至17.66，增幅374.7%。當脫空范圍較大時，隨著空洞尺寸的增大，襯砌結構最小安全系數(shù)急劇減小，危險截面也急劇增多。以VLRH脫空模式為例，當空洞范圍為45°時，襯砌結構最小安全系數(shù)已低至0.64。

③當出現(xiàn)多處脫空時，空洞之間相互作用，聯(lián)合影響結構的安全性。脫空范圍較小時，空洞之間相互作用較弱，脫空效應只影響脫空處及臨近位置襯砌結構的安全性；而隨著脫空范圍的增大，不同位置空洞的相互作用將快速增強，襯砌整體安全性下降明顯，危險截面的比例快速增大。

2) 特征截面分析

脫空下襯砌危險截面安全性一直是工程師關注的重點。通過整體安全系數(shù)分布規(guī)律分析，確定各工況下結構安全系數(shù)下降明顯的截面為特征分析截面，見表4。特征截面安全系數(shù)隨脫空范圍增大，演化曲線見圖8。圖中，SCS表示結構安全系數(shù)；V-SCS，VRH-SCS和VLRH-SCS分別表示對應脫空模式下結構的安全系數(shù)。

表4 特征截面

由圖8可知，隨著脫空范圍的增加，特征截面安全系數(shù)的整體規(guī)律是一致的，均表現(xiàn)為先上升后下降。但是，不同脫空位置的襯砌結構劣化反應并不同步。對于脫空處(如截面17，35，52)，拱頂在脫空大于15°后開始下降；而拱腰處在脫空大于5°后，截面安全系數(shù)即開始下降，超過15°后，下降速度急劇增大；在脫空超過25°后，拱頂與拱腰脫空處的安全系數(shù)已小于規(guī)范值。對于脫空鄰近處(如截面11，25，44，58)，均在脫空超過25°后，安全系數(shù)才開始減小，在脫空45°后，特征截面安全系數(shù)小于規(guī)范值。上述分析表明，不同位置脫空的敏感性表現(xiàn)為：拱腰＞拱頂＞脫空鄰近處，且拱腰鄰近處＞拱頂鄰近處。

3) 結構最小安全系數(shù)與危險截面百分比

除了特征截面的安全性以外尚有2個關鍵統(tǒng)計指標值得關注，即結構最小安全系數(shù)與危險截面百分比。前者直接關系到隧道截面安全性的評判，而后者則反映了隧道全斷面的危險等級。不同脫空模式下的結構最小安全系數(shù)如圖9所示。

(a) V脫空模式下特征截面安全系數(shù)； (b) VRH脫空模式下特征截面安全系數(shù)； (c) VLRH脫空模式下特征截面安全系數(shù)

圖9 不同脫空模式下結構最小安全系數(shù)

從圖9中可知，隨著脫空范圍的增大，最小安全系數(shù)同樣表現(xiàn)出先上升后下降的演化規(guī)律。在0°～5°脫空范圍快速增大，在5°~15°范圍內，增速減慢，脫空超過15°后，先急速下降，最后趨于平穩(wěn)。且存在拱腰脫空時其劣化速度要略大于只有拱頂脫空的情況。

圖10 危險截面百分比統(tǒng)計

將安全系數(shù)小于規(guī)范值的截面定位為危險截面，其占全斷面的百分比統(tǒng)計結果見圖10。在脫空小于15°時，未出現(xiàn)危險截面。隨后危險截面百分比隨著脫空范圍的增加而快速增大，在脫空35°時出現(xiàn)跳躍性增長，且脫空位置越多，增速越快。以VLRH脫空模式為例，脫空20°下危險截面僅占比1.56%，而脫空45°下，危險截面百分比達到61.5%。初步分析其原因，一方面是由于逐步增大的脫空范圍，另一方面則是因為脫空35°后，脫空鄰近截面轉化為危險截面，大幅增加了危險截面的百分比。

3 脫空病害等級劃分與處治措施

針對襯砌脫空病害，目前工程上主要采用“注漿回填”進行處治，較為嚴重時輔以錨桿及內表面補強。然而，脫空問題往往伴隨著襯砌欠厚、裂損等系列病害，其處治措施本身也一定程度上改變了二襯的整體性與受力的均勻性，其處治的長期效果仍有待工程的進一步檢驗。最為完善的工程舉措應是“鑿除重做”，但是其花費的代價也遠遠高于注漿回填?！豆匪淼鲤B(yǎng)護技術規(guī)范》提及“關于突發(fā)性崩塌，根據(jù)國外資料顯示，當拱背存在高30 cm以上的空洞且有效襯砌厚度小于30 cm時，空腔落石就有可能砸壞襯砌結構”，而具體應如何劃分脫空病害等級，采取何種針對性處治措施，目前并未有規(guī)范對此作出明確的規(guī)定。鑒于脫空問題的普遍性與嚴峻形勢，對脫空病害的分類定級已經(jīng)勢在必行。

根據(jù)上述系統(tǒng)的分析，15°，35°與45°脫空范圍可作為脫空病害等級劃分的關鍵分界，依此，將脫空病害劃分為如下的4個等級，見表5。

該等級劃分與楊萍[16]基于風險評估得到的結果基本相同，說明本文對于脫空病害等級的界定是合理的，且界限更為清晰，安全性影響的描述也更為明確。依此等級劃分，并結合前人的經(jīng)驗[17]確定的處治措施見表6。

表5 脫空病害等級劃分

表6 脫空病害處治措施

4 討論

隧道結構幾何特征及服役環(huán)境很大程度上決定了其受力特征，一般情況下，隧道拱頂及拱腰處將出現(xiàn)正彎矩。當在這2個部位出現(xiàn)脫空時，因圍巖壓力局部缺失，脫空部位正彎矩將逐步減小并向負彎矩轉變，同時軸力有效減小。在此過程中必然存在某一脫空范圍使得隧道結構形成最佳受力形態(tài)。以VLRH脫空模式為例，不同脫空范圍下彎矩分布如圖11所示。從圖中可以看到在脫空15°時彎矩分布最為集中，最值也最小(其余模式與之類似)，說明脫空15°下結構受力最為合理。當然，該脫空范圍的確定取決于隧道結構及服役環(huán)境，其值必然不是常數(shù)。但是，正彎矩處人為設置輕度脫空(比如拱頂5°脫空)仍可一定程度上使結構受力更合理，且保證一定的通用性與可操作性。若該工程措施得以實現(xiàn)，至少有2個益處：其一，減小襯砌截面尺寸，節(jié)省材料和造價；其二，提高結構安全性及延長服役壽命。

圖11 不同脫空范圍下彎矩分布

人為在隧道結構正彎矩處設置輕度脫空理論上可以改善結構受力形態(tài)，但是，仍然面臨不少挑戰(zhàn)。首先，隧道服役環(huán)境中往往含有地下水系，當設置脫空時，空洞的存在將使地下水匯集形成集中流動，更可能造成水土流失而進一步擴大；其次，圍巖壓力的釋放會使人為空洞壓縮并逐步消失。因此設計人為輕度脫空時，應保證空洞的自穩(wěn)性及填充材料的長期穩(wěn)定性，并且不會因水土流失而進一步擴大。據(jù)筆者的認知，多孔橡膠材料可能足以 勝任。

5 結論

1) 脫空的存在直接改變了圍巖與襯砌的接觸狀態(tài)，導致襯砌截面內力分布規(guī)律發(fā)生了顯著改變。隨著脫空范圍的增大，襯砌軸力基本保持線性關系逐漸減小，而脫空及其鄰近截面彎矩則先減小至0，后反向增大。

2) 脫空的影響主要集中在空洞范圍內及其鄰近處，脫空的范圍越大，影響越大；不同位置脫空的敏感性表現(xiàn)為：拱腰>拱頂>脫空鄰近處，且拱腰鄰近處>拱頂鄰近處，較之拱頂脫空的情況，拱腰處出現(xiàn)脫空時對結構更為不利；特征位置與結構最小安全系數(shù)隨脫空范圍的增大均表現(xiàn)為先增大后急劇減小，表明輕度的脫空可以改善隧道結構的受力形態(tài)，而重度脫空將使結構承載性能大幅降低。

3) 脫空15°與35°分別是輕度脫空與重度脫空的臨界值。脫空35°將使脫空處及鄰近截面安全系數(shù)低于規(guī)范值，危險截面百分比大幅增加，注漿處治時應輔以錨桿及內表面補強等工程措施；脫空大于45°時，超過60%的襯砌截面安全系數(shù)將遠遠低于規(guī)范值，建議鑿除重做。

[1] 申志軍, 李樹忱, 吳治家, 等. 運營隧道缺陷與病害整治技術[M]. 北京: 人民交通出版社, 2016. SHEN Zhijun, LI Shuchen, WU Zhijia, et al. Operational tunnel defects and disposal technique[M]. Beijing: China Communications Press, 2016.

[2] 關寶樹. 隧道工程維修管理要點集[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004. GUAN Baoshu. Points set of maintenance and managanent on tunnel construction[M]. Beijing: China Communications Press, 2004.

[3] 宋瑞剛, 張頂立. “接觸問題”引起的隧道病害分析[J]. 中國地質災害與防治學報, 2004, 15(4): 69?72. SONG Ruigang, ZHANG Dingli. Study on tunnel defect for the problem of “contact states”[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2004, 15(4): 69?72.

[4] 楊吳禮, 閔博, 張素磊, 等. 公路隧道襯砌背后空洞成因及規(guī)律研究[J]. 公路交通科技(應用技術版), 2014(2): 153?154. YANG Wuli, MIN Bo, ZHANG Sulei, et al. Study on causes and laws of voids behind the lining of highway tunnel[J]. Journal of Highway Traffic Technology (Application Technology Section), 2014(2): 153?154.

[5] 張頂立, 張素磊, 房倩, 等. 鐵路運營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(2): 217?224. ZHANG Dingli, ZHANG Sulei, FANG Qian, et al. Study of contact state behind tunnel lining in process of railway operation and its analysis[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(2): 217?224.

[6] TA I. Report on the damaging effects of water on tunnels during their working life[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1991, 6(1): 11?76.

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

[8] 傅鶴林, 陳深, 張加兵, 等. 襯砌脫空對現(xiàn)役隧道結構安全性影響研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2016, 13(3): 517?522. FU Helin, CHEN Shen, ZHANG Jiabing, et al. Research about cavity lining impact on structural safety for tunnel in service[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(3): 517?522.

[9] 李彬, 雷明鋒, 李文華. 運營公路隧道病害對襯砌結構安全性的影響[J]. 鐵道科學與工程學報, 2013, 10(5): 40?45. LI Bin, LEI Mingfeng, LI Wenhua. Safety influence of operating highway tunnel caused by structure disease[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2013, 10(5): 40?45.

[10] 孫鐵軍, 王偉, 羅明睿, 等. 襯砌背后空洞對既有隧道受力影響研究[J]. 建筑科學與工程學報, 2017, 34(3): 82?90. SUN Tiejun, WANG Wei, LUO Mingrui, et al. Influences of different lining structure defects on overall safety of tunnel structure[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering, 2017, 34(3): 82?90.

[11] 劉庭金, 朱合華, 丁文其. 某高速公路隧道二次襯砌安全性分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2004, 23(2): 75?78. LIU Tingjin, ZHU Hehua, DING Wenqi. Safety analysis of secondary lining of a freeway tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(2): 75?78.

[12] 吳江濱. 鐵路運營隧道襯砌狀態(tài)評估體系的建立及工程應用研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2004. WU Jiangbin. Research on lining condition assessment and engineering application for railway operation tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2004.

[13] Leung C, Meguid M A. An experimental study of the effect of local contact loss on the earth pressure distribution on existing tunnel linings[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2011(26): 139?145.

[14] 張成平, 馮崗, 張旭, 等. 襯砌背后雙空洞影響下隧道結構的安全狀態(tài)分析[J]. 巖土工程學報, 2015, 37(3): 487?493. ZHANG Chengping, FENG Gang, ZHANG Xu, et al. Effect of double voids behind lining on safety state of tunnel structures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(3): 487?493.

[15] 佘健, 何川, 汪波, 等. 襯砌背后空洞對隧道結構承載力影響的模型試驗研究[J]. 公路交通科技, 2008, 25(1): 105?110. SHE Jian, HE Chuan, WANG Bo, et al. Study on effect of cavities behind linings on bearing capacity of tunnel structure by model test[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(1): 105?110.

[16] 楊萍. 公路隧道襯砌背后缺陷風險評估研究[J]. 中國安全科學學報, 2011, 21(1): 130?135. YANG Ping. Risk assessment on the defects behind lining of road tunnels[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(1): 130?135.

[17] 江炳輝, 鄧鵬飛, 劉寅禹. 隧道襯砌背后空洞破壞機理及防治措施研究[J]. 公路與汽運, 2014(2): 204?207. JIANG Binghui, DENG Pengfei, LIU Yanyu. Study on mechanism and treatment measures of voids behind tunnel[J]. Highways & Automotive Applications, 2014(2): 204?207.

Safety analysis of tunnel structures with different patterns of voids behind lining

YE Yichao1, PENG Limin1, LEI Mingfeng1, 2, LIN Yuexiang1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway, Changsha 410075, China)

Based on the Fanjiagou tunnel, a plane analytical model is performed to study the safety state of tunnel structure by setting the voids behind the lining with different ranges and patterns. The results of numerical simulations indicate that the effect of voids is mainly concentrated in the void area and its adjacent position and the larger the voids, the greater the reach; the sensibility of different lining position to the voids behind shows up as the tunnel vault is less than the hance and greater than the adjacent positions. So when the voids exist behind the lining of tunnel hance, it has a larger influence on the structural safety factors than the situation that the vault of tunnel have the voids behind the lining. With the increase of the range of the voids, the safety factors of typical sections increase first then decrease rapidly, which also apply to the structural minimum safety factor. The small voids behind the lining with positive bending moment can effectively improve the stress state of tunnel structure, while the large voids will greatly reduce the structural bearing capacity. Furthermore, depending on calculation and statistical results, the defect level of voids is divided, by which the corresponding measures are also defined. At last, the feasibility of setting up small voits by cellular materials of rubber in the position of positive bending moment is discussed, which may bring about benefits for keeping the long term safety of tunnel structure.

tunnel engineering; voids behind lining; pattern of voids; safety factor; defect level of voids; treatment measures

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.019

U45

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2875 ? 09

2017?09?24

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB1201204)；國家自然科學基金資助項目(51508575)

雷明鋒(1983–)，男，湖南祁東人，副教授，從事隧道及地下工程結構理論與應用工作；E?mail：mingfenglei@yahoo.com.cn

(編輯 蔣學東)