連拱隧道襯砌厚度不足對結(jié)構(gòu)安全性的影響研究

張 旭， 成 鶴， 許有俊, *， 閔 博， 葉子劍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2. 北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室， 北京 100044)

0 引言

通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，我國早期修建的隧道都存在不同形式和不同程度的病害[1-2]。通過對既有病害的調(diào)查可知，隧道最主要的病害是裂縫，有地下水存在的地方往往會發(fā)生滲漏水，空洞和厚度不足是造成裂縫等一系列病害的重要因素[3-4]。我國運營和在建的連拱隧道數(shù)量眾多，因為連拱隧道結(jié)構(gòu)較為特殊，受力比單洞隧道更加復(fù)雜，運營期間更易出現(xiàn)各種襯砌缺陷，所面臨的養(yǎng)護(hù)維修問題將會十分嚴(yán)峻。

李志厚等[5]對云南、四川、重慶多座連拱隧道病害進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多處結(jié)構(gòu)存在開裂和滲漏水病害，其中，連拱隧道中墻出現(xiàn)病害的概率最高，其次是拱部，之后是邊墻；連拱隧道普遍存在混凝土強(qiáng)度不足、襯砌減薄(或厚度不足)、拱部脫空或空洞等問題。楊睿等[6]通過地質(zhì)雷達(dá)檢測和現(xiàn)場鉆孔取芯發(fā)現(xiàn)，王市嶺連拱隧道襯砌背后存在多處接觸不密實和空洞，并得到了缺陷區(qū)域的大致尺寸。Lai等[7]通過地質(zhì)雷達(dá)檢測石梯溝隧道病害情況發(fā)現(xiàn)，連拱隧道拱部出現(xiàn)脫空的概率最高，而邊墻最低，檢測到的脫空長度一般為2～6 m。姚振凱等[8]解釋了由連拱隧道施工導(dǎo)致的中墻頂部脫空的原因，即連拱隧道先開挖中導(dǎo)洞，再施工中墻，然后開挖左右正洞并施作初期支護(hù)，中導(dǎo)洞頂部容易形成脫空區(qū)。李英勇等[9]依托某公路連拱隧道，通過UDEC數(shù)值模擬和相似模型試驗，研究了中墻頂部脫空引發(fā)的連拱隧道圍巖塌方演化規(guī)律。目前關(guān)于整體式連拱隧道襯砌背后空洞或脫空影響下的圍巖力學(xué)行為和災(zāi)變演化過程已有一些研究成果[10-12]，然而對連拱隧道襯砌厚度不足情況的研究較少。襯砌厚度不足主要由施工所致，例如澆筑混凝土不夠、圍巖欠挖等。相比于單洞隧道，連拱隧道的工序多且極其復(fù)雜，由于施工多次擾動且不同部位施作支護(hù)的間隔時間長，使得施工質(zhì)量難以保證[8]，因此通常會更容易出現(xiàn)襯砌厚度不足等病害。然而，目前針對連拱隧道襯砌厚度不足情況的調(diào)查數(shù)據(jù)較少，但從部分現(xiàn)場檢測結(jié)果[5,7-8]來看，連拱隧道拱部、邊墻都是可以產(chǎn)生襯砌厚度不足的部位。已有研究未從本質(zhì)上認(rèn)識到襯砌局部厚度不足誘發(fā)的連拱隧道病害的演化規(guī)律，使得連拱隧道病害處治對策缺乏科學(xué)依據(jù)。

本文針對整體式曲中墻連拱隧道，采用相似模型試驗(共設(shè)計3組方案，其中，襯砌完整工況作為基礎(chǔ)對比試驗，通過改變襯砌厚度不足的位置設(shè)計2組試驗，即左線左拱肩襯砌厚度不足和左線左邊墻襯砌厚度不足)，重點研究了襯砌厚度不足情況下連拱隧道圍巖壓力特征、襯砌內(nèi)力分布以及裂損演化規(guī)律。以期研究結(jié)果為運營連拱隧道襯砌裂縫的防治與加固修復(fù)提供參考。

1 模型試驗方案

1.1 試驗儀器設(shè)備

模型試驗臺架是用于盛放圍巖和襯砌相似材料以及提供施加荷載作用力的地方。臺架凈空尺寸為3 m×0.3 m×1.62 m(長×寬×高)，結(jié)構(gòu)體系承壓能力大于0.3 MPa，局部變形不大于3 mm，縱向近似剛性約束[13-14]。加載系統(tǒng)包括千斤頂、綜合參數(shù)測試儀和壓力傳感器，能夠同步施加荷載。試驗中測量土壓力、襯砌環(huán)向應(yīng)變以及裂縫寬度和深度。模型試驗臺架和加載系統(tǒng)如圖1所示。

(a) 模型試驗臺架

(b) 加載系統(tǒng)

1.2 試驗材料制備

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

本文依據(jù)的原型隧道是整體式曲中墻連拱隧道，隧道支護(hù)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，模型尺寸是原型尺寸的1/40，襯砌厚度為22.5 mm。襯砌上還設(shè)置了厚度不足的部位，中墻部位鋼筋分布比較復(fù)雜，在縮尺的模型中整體添加鋼筋骨架較為困難，因此未考慮鋼筋的影響。根據(jù)以往的研究成果[12-15]，采用水與高強(qiáng)石膏粉的混合物配制模型材料。制作不同水膏質(zhì)量比的圓柱體石膏試塊，采用電控打磨機(jī)磨平后進(jìn)行密度試驗，通過萬能試驗機(jī)測定試塊的彈性模量E和軸心抗壓強(qiáng)度Rc。襯砌物理力學(xué)參數(shù)見表2。本試驗對應(yīng)的原型襯砌采用C40混凝土，其中，1組試塊的彈性模量E和軸心抗壓強(qiáng)度Rc與我國JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[16]中的數(shù)值基本吻合。

表2 襯砌物理力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗方案設(shè)計

根據(jù)規(guī)范[17]設(shè)計連拱隧道斷面，其橫斷面尺寸為25.92 m×9.99 m(長×高)，如圖2所示。本文將初期支護(hù)和二次襯砌視為整體，襯砌厚度h為0.9 m，對應(yīng)的模型尺寸為0.648 m×0.250 m(長×高)。為便于放置模型，沿連拱隧道掘進(jìn)方向模型長度設(shè)為0.295 m。模型隧道拱頂埋深設(shè)置為0.468 m，即原型連拱隧道拱頂覆土高度為18.72 m。

圖2 連拱隧道斷面尺寸(單位： m)

通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，連拱隧道拱部和邊墻容易出現(xiàn)襯砌厚度不足，主要是因為現(xiàn)場圍巖欠挖、澆筑工藝不當(dāng)、模板臺車支撐不穩(wěn)等[1-4]。本文共設(shè)計3組模型試驗，即襯砌結(jié)構(gòu)完整1組，襯砌厚度不足2組，襯砌厚度不足位置分別為左線左拱肩和左線左邊墻。3組試驗?zāi)Ｐ鸵妶D3。假定襯砌缺陷高度為1/3h，即對應(yīng)的原型襯砌缺陷高度為0.30 m，缺陷范圍按點O與缺陷邊界構(gòu)成直線的夾角為22.5°確定。

(a) 襯砌完整(方案1)

(b) 左線左拱肩襯砌厚度不足(方案2)

(c) 左線左邊墻襯砌厚度不足(方案3)

預(yù)埋微型土壓力傳感器10個。在襯砌內(nèi)、外側(cè)粘貼電阻式應(yīng)變片，共計16對(32個)。土壓力傳感器和應(yīng)變片分別布置在距離前側(cè)鋼板0.075 m和0.15 m的2個斷面上。模型隧道橫斷面測點布置見圖4。

(a) 襯砌結(jié)構(gòu)完整(方案1)

(b) 左拱肩厚度不足(方案2)

(c) 左邊墻厚度不足(方案3)

制備連拱隧道襯砌模型，沿襯砌環(huán)向粘貼應(yīng)變片(見圖5(a))。為了順利將模型放置在試驗箱中，模型長度取0.295 m。模型與前后側(cè)鋼板之間存在間隙，因此，需要在模型前后兩端分別布置1層塑料薄膜，并在其外表面粘貼1層泡棉膠，起到防止上方圍巖顆?；涞淖饔?。泡棉膠的寬度取0.024 m，泡棉膠之外的部分都與土體密貼，假定由粘貼泡棉膠導(dǎo)致的厚度不足邊角處存在的較小縫隙對試驗結(jié)果影響較小。之后，逐層充填圍巖相似材料(見圖5(b))，布設(shè)土壓力傳感器，將應(yīng)變片和土壓力傳感器的導(dǎo)線分別連接數(shù)據(jù)采集儀(見圖5(c))，并將位移測試系統(tǒng)安裝到洞室中，臺架安裝完畢(見圖5(d))。

(a) 粘貼應(yīng)變片 (b) 充填圍巖材料

(c) 連接數(shù)據(jù)采集儀 (d) 臺架安裝完畢

2 模型試驗結(jié)果

2.1 方案1試驗結(jié)果

對于襯砌結(jié)構(gòu)完整模型(方案1)，加載到0.02 MPa時，連拱隧道中墻左墻角出現(xiàn)長約15 mm的裂縫，裂縫近似呈正八字形(見圖6(a))；加載至0.03 MPa時，仰拱內(nèi)側(cè)出現(xiàn)開口寬度為0.06 mm的平直裂縫(見圖6(b))；繼續(xù)加載到0.05 MPa，左線和右線的拱腳部位均出現(xiàn)了1條裂縫，裂縫的外觀形式表現(xiàn)為局部有彎曲且彎曲地方較多(見圖6(c))；加載到0.07 MPa時，拱頂出現(xiàn)裂縫，裂縫深7.2 mm，約為襯砌厚度的32%(見圖6(d))；完成加載后，邊墻出現(xiàn)深度約為8.1 mm的裂縫，中墻墻角內(nèi)表面部位結(jié)構(gòu)壓潰。

(a) 中墻左墻角裂縫 (b) 左線仰拱裂縫

(c) 左線左拱腳裂縫 (d) 右線拱頂裂縫

2.2 方案2試驗結(jié)果

對于左線左拱肩襯砌厚度不足的隧道模型(方案2)，加載到0.02 MPa時，中墻左墻角外側(cè)最先出現(xiàn)破壞裂縫，該裂縫深度約為12 mm(見圖7(a))；加載到0.03 MPa時，左線和右線仰拱內(nèi)側(cè)分別產(chǎn)生2條裂縫(見圖7(b))；加載到0.06 MPa時，襯砌厚度不足右側(cè)邊緣出現(xiàn)1條深度為11.2 mm的裂縫，該裂縫開口寬度為0.05 mm(見圖7(c))；加載到0.07 MPa時，邊墻外表面和右線拱頂內(nèi)表面襯砌依次開裂(見圖7(d))；繼續(xù)加載，在拱腳和拱腰外表面均發(fā)現(xiàn)裂縫，既有裂縫不斷擴(kuò)展；加載到0.16 MPa時，連拱隧道襯砌出現(xiàn)嚴(yán)重的破裂、壓碎、掉片等破壞。

(a) 中墻左墻角裂縫 (b) 左線仰拱裂縫

(c) 左線拱頂裂縫 (d) 右線拱頂裂縫

2.3 方案3試驗結(jié)果

方案3中中墻墻角、仰拱、拱腳和邊墻裂縫的出現(xiàn)時間和外觀形式與方案1和方案2相似。加載到0.07 MPa時，缺陷上方邊緣產(chǎn)生1條深度為9.3 mm的裂縫(見圖8(a))；加載到0.08 MPa時，右邊墻外側(cè)產(chǎn)生1條深度為12.6 mm的裂縫(見圖8(b))；加載到0.13 MPa時，中墻頂部與右線拱部接觸襯砌外側(cè)開裂(見圖8(c))；加載到0.14 MPa時，左邊墻中心截面出現(xiàn)1條深度為8.3 mm的裂縫(見圖8(d))，襯砌裂縫擴(kuò)展加劇。

(a) 左線左邊墻上方裂縫 (b) 右線右邊墻裂縫

(c) 右線左拱腰裂縫 (d) 左線左邊墻中心處裂縫

3 模型試驗結(jié)果分析

3.1 襯砌厚度不足位置對圍巖壓力的影響

加載到0.01 MPa時，將試驗數(shù)據(jù)換算為原型數(shù)據(jù)，得到圍巖壓力的分布情況，如圖9所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

當(dāng)左線左拱肩襯砌厚度不足時，最大的圍巖壓力出現(xiàn)在左線拱頂，相比于襯砌結(jié)構(gòu)完整工況，襯砌厚度不足位置的圍巖壓力有所減小。襯砌厚度不足位置變化時，其同側(cè)隧道的圍巖壓力變化規(guī)律更加顯著，對其對側(cè)隧道的圍巖壓力影響較弱。相對而言，襯砌厚度不足位置對側(cè)隧道的應(yīng)力分布更加均勻，但是襯砌厚度不足存在時，其兩側(cè)區(qū)域的接觸壓力大于厚度不足位置的中心截面。相比于襯砌結(jié)構(gòu)完整工況，局部襯砌厚度不足的存在降低了襯砌厚度不足截面的剛度[5,7]，襯砌厚度不足及其鄰近區(qū)域的圍巖受力狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化，襯砌厚度不足兩側(cè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)分擔(dān)更多的圍巖荷載。

3.2 襯砌厚度不足位置對襯砌受力的影響

以方案2和方案3襯砌厚度不足位置同側(cè)隧道(左線隧道)為例，為了揭示原型連拱隧道的受力狀態(tài)，將試驗得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)換算為原型數(shù)據(jù)，給出了加載變化條件下連拱隧道襯砌應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，結(jié)果如圖10所示。

(a) 方案2襯砌內(nèi)側(cè)應(yīng)力

(b) 方案2襯砌外側(cè)應(yīng)力

(c) 方案3襯砌內(nèi)側(cè)應(yīng)力

(d) 方案3襯砌外側(cè)應(yīng)力

加載到0.01 MPa時，根據(jù)襯砌內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力計算得到軸力和彎矩，分別如圖11和圖12所示。彎矩的正、負(fù)號分別代表向內(nèi)和向外彎曲。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

當(dāng)連拱隧道局部存在襯砌厚度不足時，在厚度不足位置的襯砌內(nèi)力變化較明顯，厚度不足位置的軸力相比于襯砌完整工況有所降低，而厚度不足位置兩側(cè)區(qū)域的軸力則有所增加。連拱隧道中墻墻角部位彎矩相對最大，厚度不足位置變化對中墻底部受力的影響較弱。受負(fù)彎矩的影響，方案3中右線左拱腰彎矩66 kN·m大于方案2的54 kN·m。

3.3 襯砌厚度不足位置對襯砌破壞的影響

連拱隧道襯砌最終破壞形態(tài)如圖13所示。襯砌厚度不足位置發(fā)生改變時，對連拱隧道中墻頂部和厚度不足部位的襯砌破壞有較大影響。相比于襯砌結(jié)構(gòu)完整工況(方案1)，方案2中襯砌厚度不足位置右側(cè)邊緣產(chǎn)生裂縫，與方案1拱頂裂縫的位置有所不同，并且厚度不足部位出現(xiàn)明顯的壓潰現(xiàn)象，破壞程度更嚴(yán)重。左線左邊墻襯砌厚度不足時(方案3)，左線邊墻外側(cè)裂縫的位置會有些不同，邊墻結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)壓潰十分明顯。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

連拱隧道襯砌厚度不足部位裂縫出現(xiàn)的時間及其擴(kuò)展過程有所差異。方案2中，襯砌厚度不足部位與拱頂交接處產(chǎn)生1條深裂縫，邊墻和左拱腰外表面均開裂；方案3中，邊墻襯砌厚度不足部位上方邊緣和中心截面的襯砌外側(cè)各出現(xiàn)1條裂縫，而左拱腳外側(cè)襯砌未開裂，同時也發(fā)現(xiàn)厚度不足位置對側(cè)隧道中墻右上方產(chǎn)生1條裂縫。卸土完成后，襯砌厚度不足部位襯砌破壞形態(tài)如圖14所示。

(a) 方案2 (b) 方案3

試驗數(shù)據(jù)換算為原型數(shù)據(jù)后，3組試驗中裂縫深度隨施加荷載的變化規(guī)律見圖15。圖中，①-⑩為裂縫，用紅色線條標(biāo)記。由圖15可知： 1)隨著荷載的增加，連拱隧道襯砌裂縫的開口寬度和深度不斷增大，尤其是對于裂縫深度最為明顯； 2)仰拱和拱腳處的裂縫深度較大，但都小于中墻墻角裂縫; 3)中墻頂部裂縫的深度相對較大，例如方案3中的裂縫⑩，襯砌厚度不足部位的裂縫接近貫通。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

4 結(jié)論與建議

本文通過相似模型試驗，研究了襯砌完整、左線左拱肩以及左線左邊墻局部襯砌厚度不足3種工況下連拱隧道圍巖壓力的特征、襯砌內(nèi)力分布以及裂損演化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1)連拱隧道中墻墻角部位的襯砌裂損程度最為嚴(yán)重，為最危險截面。中墻墻角外側(cè)最先產(chǎn)生裂縫，之后仰拱內(nèi)側(cè)和拱腳外側(cè)的襯砌依次開裂，連拱隧道中墻墻角及邊墻底部襯砌均被壓潰。

2)相比于襯砌結(jié)構(gòu)完整工況，連拱隧道襯砌局部存在厚度不足時，厚度不足部位軸力顯著降低，而厚度不足部位兩側(cè)區(qū)域的軸力則有所增加。

3)襯砌厚度不足部位的邊緣是需要重視的部位，左線左拱肩襯砌厚度不足時，厚度不足右側(cè)邊緣的襯砌內(nèi)表面開裂；左線左邊墻襯砌厚度不足時，厚度不足上方邊緣的襯砌外表面開裂。

4)連拱隧道中墻頂部與拱腰接觸部位襯砌外側(cè)承受較大的拉應(yīng)力，襯砌厚度不足位置的改變對中墻頂部襯砌受力造成一定的影響，中墻右上角裂縫的出現(xiàn)晚于拱頂裂縫，是連拱隧道破壞的重點區(qū)域。

5)由于襯砌厚度不足造成的連拱隧道襯砌開裂部位需要進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，建議在厚度不足部位的襯砌表面裂縫直接涂刷結(jié)構(gòu)膠封堵或者人工鑿槽之后埋管封填防水砂漿進(jìn)行處理。對于局部混凝土壓潰或者開裂極為嚴(yán)重的情況，建議對襯砌厚度不足部位采取局部鑿除、植筋、鋼筋混凝土嵌補(bǔ)的方法來置換缺陷部位，從而保證既有連拱隧道結(jié)構(gòu)的安全性。