襯砌背后局部空洞對(duì)隧道安全性影響分析

王海蛟 王記平 王凱

（中建路橋集團(tuán)有限公司1) 河北石家莊050001 河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院2) 河北石家莊 050091）

1 引言

目前國內(nèi)公路隧道的支護(hù)手段主要采用錨桿和噴射混凝土組合方式，在施工過程中由于襯砌背后回填不夠密實(shí)，或者在后期營運(yùn)過程中，由于地下水的沖刷、腐蝕作用，有可能在襯砌背后產(chǎn)生空洞。襯砌背后空洞具有形態(tài)特征復(fù)雜、難以發(fā)現(xiàn)、不易根治等問題；同時(shí)，空洞也是其它病害的重要誘因。襯砌背后局部空洞的存在會(huì)降低襯砌的承載力，影響圍巖的整體穩(wěn)定性?？斩赐鶗?huì)引起滲漏水等病害發(fā)生，若處治不及時(shí)可能會(huì)造成襯砌的大范圍垮塌，威脅著隧道運(yùn)營過程中的安全。因此，開展襯砌背后空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響規(guī)律，準(zhǔn)確評(píng)估隧道的健康狀態(tài)，并提出相應(yīng)的治理措施，對(duì)預(yù)防隧道空洞本身及其所引起其它病害的安全問題，保證隧道的安全運(yùn)營、延長了使用壽命等具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者基于彈塑性理論和數(shù)值模擬方法對(duì)襯砌背后空洞現(xiàn)象展開了廣泛研究。對(duì)不同位置、不同大小的空洞進(jìn)行了平面彈塑性力學(xué)計(jì)算仿真，獲得了空洞特征對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響規(guī)律，分析了造成圍巖松動(dòng)、襯砌裂損的關(guān)鍵因素和臨界條件。結(jié)合國外內(nèi)工程實(shí)例，研究者根據(jù)具體的空洞病害成因，提出了補(bǔ)強(qiáng)、內(nèi)襯和注漿等多種治理措施及相應(yīng)的應(yīng)用原則和方法。本文結(jié)合某隧道工程實(shí)例，利用有限元軟件建立隧道平面彈塑性模型，計(jì)算了不同埋深下拱腳空洞存在時(shí)圍巖的位移及壓力、圍巖塑性區(qū)分布以及襯砌結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)，分析了拱腳空洞對(duì)襯砌整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，為預(yù)測襯砌背后局部空洞引起的巖體結(jié)構(gòu)變化、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供參考。

2 工程概況

依托隧道所在地隸屬保定阜平縣，為上、下行獨(dú)立雙洞四車道分離式隧道，全幅隧道范圍右線-K0+493.612～K0+494，長度987.612m，其中保定段長354m，左線-ZK0+501.822～ZK0+492，長度993.822m，其中保定段長352m。全長990.717m，屬中隧道。

隧址屬構(gòu)造剝蝕低山區(qū)峰叢山地地貌，區(qū)內(nèi)最大標(biāo)高713.66m，最低標(biāo)高583.16m，相對(duì)高差130.5m。隧道通過山體的自然坡度變化較大，地表剝蝕現(xiàn)象較為強(qiáng)烈。隧址區(qū)地層簡單，地質(zhì)構(gòu)造主要為新華夏系太行山隆起區(qū)，出露地層主要為第四系殘坡積（Qel+dl）的碎石土及燕山早期（r52）花崗巖，局部為燕山晚期（δ52）閃長巖。隧道圍巖級(jí)別綜合評(píng)價(jià)為Ⅱ～Ⅴ級(jí)，圍巖以花崗巖為主，并有閃長巖侵入體，由于基底巖石為片麻巖，花崗巖或閃長巖為后期侵入體。

對(duì)該隧道進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)襯砌與圍巖之間存在多處回填不密實(shí)的情況，局部空洞主要集中在拱腳及邊墻處。本文主要對(duì)不同埋深下拱腳左側(cè)空洞進(jìn)行仿真分析。

3 襯砌背后局部空洞模型的建立

選定依托工程典型斷面尺寸如圖1（a）所示，基于彈塑性理論，利用abaqus 數(shù)值計(jì)算軟件，建立計(jì)算模型如圖1（b）所示。初支與二襯視為整體，圍巖、初支與二次襯砌材料的力學(xué)參數(shù)列于表1 中。采用應(yīng)用較為廣泛的二維地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行受力計(jì)算，空洞形狀設(shè)為環(huán)形，選取典型尺寸為環(huán)向?qū)挾?.0 m，深度0.5 m，根據(jù)空洞的實(shí)際受力情況，計(jì)算過程中忽略空洞位置單元。

表1 圍巖和襯砌材料的力學(xué)參數(shù)

圖1 隧道計(jì)算模型

4 安全性分析

4.1 不同埋深下空洞對(duì)圍巖變形的影響

以10 m 和200 m 作為典型淺埋段和深埋段埋深，計(jì)算兩種條件下圍巖在水平（X）和豎直（Y）方向的變形位移，結(jié)果如圖2 所示；不同圍巖變形隧深度變化如圖3 所示。

圖2 圍巖變形分布

從圖2 可以看出：拱腳處存在空洞時(shí)，淺埋段隧道圍巖體的水平位移和豎直位移大致以隧道中心線呈現(xiàn)對(duì)稱分布，其最大水平位移出現(xiàn)在拱腰處，最大豎向位移出現(xiàn)在左右拱腰上部以及拱頂位置；而深埋段圍巖體的最大水平位移和最大豎向位移則在空洞部位。計(jì)算不同埋深下圍巖在水平（X）和豎直（Y）方向的變形位移，其位移變化情況如圖3 所示。

圖3 不同埋深下圍巖位移的變化

從圖3 可以看出：拱腳位置出現(xiàn)空洞時(shí)，圍巖水平和豎直方向的變形位移隨著埋深的增加先增大后減小，最大位移出現(xiàn)在淺埋段，當(dāng)埋深超過300 m 后位移變化趨于穩(wěn)定。

4.2 不同埋深下空洞對(duì)圍巖壓力的影響

圖4 為拱腳空洞存在時(shí)圍巖典型壓力分布，以及不同埋深下空洞、拱頂、左右拱腰、拱腳、仰拱處圍巖壓力的變化趨勢。

圖4 不同埋深下關(guān)鍵部位的壓力變化

圖4 表明：最大壓力變化出現(xiàn)在空洞處，隨著埋深的增加，空洞部位圍巖壓力呈現(xiàn)波動(dòng)變化，增長百分比逐漸下降，埋深300m 之后穩(wěn)定在12%左右。相比而言其它部位圍巖壓力的增長較小，隨埋深的加深壓力變化趨于穩(wěn)定。

4.3 不同埋深下空洞對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

隧道開挖過程中，不可避免會(huì)造成圍巖擾動(dòng)，擾動(dòng)程度的大小可用圍巖塑性區(qū)分布來衡量。一般而言，若隧道開挖過程中圍巖所受壓力小于巖體自身強(qiáng)度，則處于彈性狀態(tài)；若隧道開挖過程中圍巖所受壓力大于巖體自身強(qiáng)度，則處于塑性狀態(tài)，圍巖將產(chǎn)生較大塑性變形。

在拱腳處有空洞的情況下，淺埋段（埋深小于40 m）圍巖應(yīng)力集中主要在邊墻和拱腳處，而深埋段應(yīng)力集中區(qū)域從拱腰、拱腳轉(zhuǎn)移到空洞區(qū)域，空洞部位為圍巖的薄弱環(huán)節(jié)。通過以上分析可知，對(duì)于埋深小于40 m 的淺埋段，在施工過程中重點(diǎn)監(jiān)測和加固拱腳和拱腰等區(qū)域，而埋深大于40 m 的深埋段，拱腳處的空洞區(qū)域?yàn)閲鷰r的薄弱區(qū)域，施工過程應(yīng)采取打設(shè)錨桿、注漿加固等手段予以補(bǔ)強(qiáng)。

4.4 隧道結(jié)構(gòu)安全度

拱腳局部空洞時(shí)不同埋深條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨隧道埋深變化情況如圖5 所示。

從圖5 可以看出：當(dāng)埋深小于100 m 時(shí)各處的安全系數(shù)出現(xiàn)較明顯的上下波動(dòng)，埋深超過300 m 后，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。隨著埋深的增加，仰拱、左拱腰與拱頂位置的安全系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，其仰拱和左拱腰位置安全系數(shù)降幅最大；右拱腳和右拱腰區(qū)域安全系數(shù)略有增加。隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算同樣表明：襯砌背后拱腳位置存在局部空洞對(duì)拱腳及拱腰位置襯砌結(jié)構(gòu)影響最大，并且隨著隧道埋深的增加其對(duì)應(yīng)位置安全系數(shù)逐步減小，最終趨于穩(wěn)定，這一結(jié)果與前述位移和圍巖壓力的分析一致。

圖5 不同埋深下襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)

5 結(jié)論

基于二維地層-結(jié)構(gòu)法，采用abaqus 計(jì)算軟件分析了襯砌背后拱腳部位存在空洞的情況下，不同埋深處圍巖的位移、壓力、塑性區(qū)以及襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的變化情況，獲得如下結(jié)論：

（1）淺埋段隧道圍巖體的最大水平位移出現(xiàn)在拱腰處，最大豎向位移位于左右拱腰及拱頂處；深埋段圍巖體的最大水平位移和豎向位移均位于空洞位置。

（2）最大壓力變化出現(xiàn)在空洞處，空洞部位圍巖壓力呈現(xiàn)波動(dòng)變化，淺埋段增長迅速。隨著埋深的增加，增長百分比逐漸下降，埋深300 m 之后穩(wěn)定在12%左右。

（3）淺埋段圍巖應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在邊墻和拱腳處，而在深埋大于40 m 后應(yīng)力集中在空洞區(qū)域，此時(shí)空洞部位為圍巖的薄弱環(huán)節(jié)。

（4）隨著埋深的增加，仰拱、拱腰與拱頂結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)下降，拱腰和空洞部位降低幅度最大；拱腳空洞對(duì)圍巖拱腳與拱腰的危害最大，隨埋深增加這些部位的安全系數(shù)減小，最終趨于穩(wěn)定。