運(yùn)營期隧道襯砌非對(duì)稱式破壞成因分析及數(shù)值模擬研究

楊騰添

(1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300;2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710055; 3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 陜西 西安 710055)

我國交通網(wǎng)逐漸形成了“八縱八橫”的規(guī)劃布局，加快了中西部公路、鐵路建設(shè)實(shí)施[1-3].由于西南地區(qū)多以高山、丘陵地形為主，導(dǎo)致巖土工程的建設(shè)極有可能遇到大埋深隧道[4]，工程圍巖體多呈現(xiàn)“復(fù)雜多變、強(qiáng)度低、自承能力差、富水性強(qiáng)”等軟弱特征[4-7]，進(jìn)而增加隧道坍塌、冒頂及襯砌變形等工程風(fēng)險(xiǎn).因此，通過工程現(xiàn)場監(jiān)測及理論分析不同隧道病害模式及其孕育機(jī)制具有的工程應(yīng)用價(jià)值.

眾多學(xué)者圍繞既有線隧道病害探測技術(shù)研發(fā)、病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、病害整治設(shè)計(jì)優(yōu)化及配套整治設(shè)備改進(jìn)等[7-11]開展了大量工作.程建鋁等[12]開展了喀斯特地區(qū)鐵路隧道工程地質(zhì)災(zāi)害研究初探；王魁東[13]分析了地震作用后隧道襯砌的開裂原因及處理方案，提出了通過靜態(tài)爆破拆除二襯及花管注漿的施工工藝；王明陽[14]提出了自動(dòng)低壓灌漿技術(shù)；周文[15]對(duì)于安徽208省道大力寺隧道施工方案進(jìn)行了優(yōu)化.另外，臧守杰[16]針對(duì)宜萬鐵路廣成山隧道軟弱圍巖擠壓變形進(jìn)行了分析，提出采用支護(hù)技術(shù)、開挖順序和相應(yīng)的監(jiān)測手段可保證洞室的穩(wěn)定.以上研究對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境下的隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、巖溶災(zāi)害進(jìn)行了詳實(shí)研究，并提出了可供隧道圍巖災(zāi)害分析、評(píng)估的相關(guān)理論.隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷深入實(shí)施，西南地區(qū)大埋深、特長隧道建設(shè)過程中以及建成隧道運(yùn)營過程中圍巖變形、襯砌結(jié)構(gòu)開裂、二襯剝落等災(zāi)害時(shí)常出現(xiàn)，這對(duì)隧道的安全運(yùn)營應(yīng)帶來了潛在危害，因此，有必要對(duì)于不同的隧道病害模式、成因及其孕育機(jī)制進(jìn)行不斷關(guān)注和深入研究.

宜萬鐵路作為“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架之一，是貫通中國東、中、西部的重要交通紐帶.經(jīng)過多年運(yùn)營，宜萬鐵路廣成山隧道K180+261～K180+306段邊墻出現(xiàn)了顯著的縱向開裂、剝離，翹殼等災(zāi)害，出現(xiàn)典型的非對(duì)稱式破壞模式.本文對(duì)廣成山隧道病害段進(jìn)行了系統(tǒng)性的襯砌厚度、襯砌強(qiáng)度及襯砌侵限檢測，結(jié)合理論及數(shù)值模型分析了襯砌破壞模式及其孕育機(jī)制，期望為類似隧道病害的整治提供理論依據(jù).

1 工程概況

1.1 工程背景

宜萬鐵路(湖北宜昌-重慶萬州)全長近380 km，屬于國家Ⅰ級(jí)電氣化鐵路，是中國“四縱四橫”快速客運(yùn)線路通道的重要組成部分.由于該線路經(jīng)過區(qū)域多為巖體構(gòu)造侵蝕嚴(yán)重、巖溶發(fā)育顯著的丘陵地區(qū)，導(dǎo)致圍巖體出現(xiàn)崩塌、滑坡及突水等地質(zhì)災(zāi)害[2,11-12].廣成山隧道全長5.35 km，其進(jìn)口里程為DK406+988，出口里程為DK412+341，斜井位于DK408+400處.廣成山隧道的位置分布，如圖1所示.

圖1 廣成山隧道的位置分布Fig.1 Location distribution of Guangchengshan tunnel

該隧道為單線隧道，建設(shè)于2004年6月，竣工于2010年6月，列車設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h.2018年4月發(fā)現(xiàn)，隧道洞身DK410+346～DK410+371段(1 970～1 995 m)右側(cè)邊墻縱向開裂、剝離、翹殼.裂紋長度為25 m，最寬處為3 mm；邊墻剝離面長度為12 m，寬度為2.5 m；翹殼面長度為2 m，寬度為1.8 m.經(jīng)后續(xù)觀測，邊墻裂紋有發(fā)展趨勢.隧道二襯裂縫變化監(jiān)測，如圖2所示.

圖2 廣成山隧道病害情況Fig.2 Disease of Guanghengshan tunnel

1.2 工程地質(zhì)及水文特點(diǎn)

隧址處于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，地形起伏較大，廣成山最大標(biāo)高為1.002 km.隧道區(qū)域位于方斗山背斜中段，沿線巖層多為軟弱圍巖體并分布有F4、F5、F6三處斷層，地層為三疊系中上統(tǒng)[16].隧道進(jìn)口端的山體相對(duì)平緩，而出口端比較陡峭.洞身DK410+346～DK410+371段主要穿越鈣質(zhì)頁巖地層，局部呈互層狀、薄～中厚層狀.巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，受區(qū)域構(gòu)造影響，巖層節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎.在地下水作用下易形成填充式溶腔.

隧道進(jìn)口端因斷層巖體發(fā)育導(dǎo)致巖體破裂、剝落，部分地段右側(cè)邊拱存在順層軟弱面，易出現(xiàn)滑塌災(zāi)害.由于隧道埋深較大、軟弱軟巖，受擠壓作用易產(chǎn)生較大側(cè)向變形，對(duì)列車安全運(yùn)營具有潛在危害.隧道屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū)、濕潤多雨，年平均氣溫為13～20℃，年降水量為1 500～2 000 mm.勘察表明，隧道沿線地下水豐沛，主要以基巖裂隙水為主，出水量較大.施工中發(fā)現(xiàn)，在斷層、破碎位置出現(xiàn)明顯的裂隙水富集.

1.3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DK410+346～DK410+371段位于Ⅳ級(jí)圍巖，處于鈣質(zhì)頁巖地段.襯砌采用復(fù)合式襯砌，設(shè)計(jì)初期支護(hù)采用200 mm厚的C20噴射混凝土，設(shè)格柵鋼架，間距0.80 m/榀.二次襯砌采用300 mm厚的C25混凝土.

隧道洞內(nèi)采用雙側(cè)排水溝排水，對(duì)于隧道穿越斷層破碎帶，通過注漿加固圈限制排水量.初期支護(hù)與二次襯砌之間地段拱墻鋪設(shè)復(fù)合防水板.施工縫地段設(shè)置橡膠止水帶，在二次襯砌背后環(huán)向采用直徑50透水管盲溝.洞內(nèi)縱向側(cè)溝泄水孔標(biāo)高處，設(shè)直徑80的透水管盲溝.

襯砌支護(hù)參數(shù)：①初期支護(hù)，隧道拱墻、仰拱的噴射混凝土厚度均為200 mm；拱墻處設(shè)置的錨桿長度為2 500 mm，間距為環(huán)×縱=1 200 mm×1 000 mm；拱墻位置鋪設(shè)了鋼筋網(wǎng).②二次襯砌，拱墻及仰拱、底板的襯砌厚度均為300 mm.

2 檢測結(jié)果及分析

根據(jù)隧道病害特點(diǎn)，分別對(duì)隧道襯砌厚度、襯砌強(qiáng)度及襯砌背后空洞等參數(shù)進(jìn)行采集檢測.廣成山隧道病害檢測方案，如圖3所示.

襯砌厚度檢測時(shí)，檢測斷面間距為5 m，在每個(gè)斷面中選取隧道左、右拱腰及左、右邊墻四個(gè)代表位置設(shè)置檢測點(diǎn).襯砌強(qiáng)度檢測時(shí)，檢測斷面間距為15 m，在每個(gè)斷面中選取隧道拱頂及左、右拱腰三個(gè)代表位置的混凝土進(jìn)行檢測，每個(gè)檢測位置鉆取三個(gè)檢測試件.

(a)二襯厚度檢測

(b)鉆心強(qiáng)度檢測

(c)隧道侵線檢測

2.1 二襯厚度檢測特征

圖4為隧道K180+261～K180+306段左、右邊墻及左、右拱腰處襯砌厚度的檢測結(jié)果.由圖4可知，隧道各斷面左拱腰處的二襯厚度為30～33 cm，平均厚度為31 cm，近似為二襯設(shè)計(jì)厚度(30 cm).這表明左拱腰處的二襯厚度滿足隧道安全運(yùn)營要求.

(a)左邊墻

(b)左拱腰

(c)右邊墻

(d)右拱腰圖4 左、右邊墻及左、右拱腰的襯砌厚度Fig.4 Lining thickness of left and right walls and left and right arches of tunnel

相比隧道左拱腰的二襯厚度，左、右邊墻及右拱腰處的二襯厚度具有顯著變化，相對(duì)設(shè)計(jì)厚度具有一定的浮動(dòng)幅度.左邊墻、右邊墻及右拱腰處的二襯厚度分別為27～33 cm、24～31 cm和25.50～32 cm，平均厚度分別為29.3 cm、26.81 cm和29.41 cm，厚度方差分別為4.19、2.23和9.73.可見二襯厚度平均值均小于設(shè)計(jì)厚度，這對(duì)襯砌承載能力及安全運(yùn)營具有潛在危害.

隧道右邊墻及右拱腰的二襯局部位置出現(xiàn)了明顯的剝落區(qū)域，如圖5所示.由圖5可知，①右邊墻K180+291、K180+296兩個(gè)斷面處，二襯厚度分別為24 cm和25.10 cm，相比設(shè)計(jì)厚度分別降低了20.00%和16.30%；②右拱腰K180+291、K180+296兩個(gè)斷面處，二襯厚度分別為25.60 cm和25.50 cm，相比設(shè)計(jì)厚度分別降低了14.67%和15.00%；③由于隧道二襯施作于10年前，二襯澆筑仍采用傳統(tǒng)的單窗布料模式，工序繁瑣，施工人員常常會(huì)為節(jié)省時(shí)間選擇跳窗施工，引起襯砌厚度不均.

圖5 隧道襯砌剝落Fig.5 Spalling disaster of tunnel lining

2.2 二襯強(qiáng)度檢測特征

圖6為隧道K180+261～K180+306段左、右拱腰及拱頂處的二襯強(qiáng)度的檢測結(jié)果.檢測數(shù)據(jù)表明，左、右拱腰檢測點(diǎn)處的襯砌強(qiáng)度比較接近于二襯的設(shè)計(jì)強(qiáng)度(25 MPa)，分別為22.90～25.10 MPa和21.90～23.80 MPa，強(qiáng)度方差分別為0.63和0.51.其中，左拱腰的二襯強(qiáng)度最大值為25.10 MPa，高出設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.40%；右拱腰的二襯強(qiáng)度的最小值為21.90 MPa，相比設(shè)計(jì)強(qiáng)度降低了12.40%.可見，左拱腰的二襯強(qiáng)度相對(duì)優(yōu)于右拱腰.

相比左、右拱腰，拱頂位置的二襯強(qiáng)度相對(duì)不足，強(qiáng)度值為18.70～21.2 MPa，平均強(qiáng)度為20.27 MPa.K180+261-2斷面和K180+261-3斷面處的二襯強(qiáng)度分別達(dá)到最小值18.70 MPa和最大值21.2 MPa，僅為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的62.33%和70.67%.可見，K180+291-1～K180+291-3范圍內(nèi)拱頂二襯的混凝土力學(xué)性能顯著不足，這提高了襯砌發(fā)生破壞的可能性.

2.3 襯砌侵限檢測特征

隧道襯砌侵限檢測表明，隧道右邊墻中部發(fā)生明顯的鼓出變形和開裂，混凝土噴層剝落，形成了典型的“蔥剝皮”現(xiàn)象，這與小灣水電站壩基巖體的剝落特征相似.劉建友等[11]分析認(rèn)為，巖體存在局部地質(zhì)構(gòu)造并引起隧道圍巖產(chǎn)生非對(duì)稱的應(yīng)力集中時(shí)，易導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生變形、開裂，經(jīng)過緩慢的變形累積引起表層混凝土鼓起、剝落，破壞模式，如圖7所示.

另外，左、右邊墻的破壞程度表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性，其他位置墻體平整但裂隙呈零星發(fā)育.結(jié)合混凝土厚度和強(qiáng)度分布特征發(fā)現(xiàn)，病害段在左、右拱腰及邊墻位置的襯砌厚度與混凝土強(qiáng)度并未出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱分布.

對(duì)隧道病害段打設(shè)臨時(shí)加固錨桿時(shí)發(fā)現(xiàn)，在向隧道右側(cè)圍巖鉆孔時(shí)，數(shù)根錨桿鉆至3.70～4.2 m時(shí)，鉆進(jìn)反力突然消失并有伴隨有大量的泥漿涌出，且鉆至5 m深度，鉆桿反力并未恢復(fù)，如圖8所示，可以判斷隧道右側(cè)巖體存在填充式溶腔.因此，溶洞對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及穩(wěn)定性的影響有必要進(jìn)一步分析.

圖8 錨桿孔泥漿涌出現(xiàn)象Fig.8 Mud gush phenomenon in anchor hole

3 溶洞對(duì)隧道圍巖應(yīng)力分布影響

為進(jìn)一步探明廣成山隧道產(chǎn)生的襯砌單邊非對(duì)稱式剝落破壞的孕育機(jī)理，需深入探究既有填充式溶腔對(duì)隧道圍巖應(yīng)力分布特征的影響規(guī)律.將溶洞—隧道所處的圍巖范圍轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變情況下的彈性半空間，將隧道、溶洞近似為圓形；由于隧道埋深超過鐵路隧道中深淺埋隧道判據(jù)(2.5 hq)，從而不考慮地表影響.考慮溶洞先于隧道形成，先建立僅存在溶洞的條件下，溶洞在隧道區(qū)域圍巖產(chǎn)生的多余面力，再利用復(fù)變函數(shù)中的柯西積分法結(jié)合Schwarz交替法求解出彈性半空間內(nèi)圓形溶洞及圓形隧道周邊任意一點(diǎn)處的應(yīng)力值和位移值解析解的具體顯式表達(dá)式.

基于此，本節(jié)建立了臨近既有溶洞隧道模型，如圖9所示.其中，隧道直徑為2R，溶洞直徑為2r，d為隧道與溶洞內(nèi)側(cè)邊界間距，隧道支護(hù)反力為T，Pv為巖體自重，Ph為地應(yīng)力.xROyR、xroyr分別為以隧道中心和溶洞中心建立的坐標(biāo)系.

圖9 臨近既有溶洞與隧道模型Fig.9 Model of adjacent existing cave and tunnel

令zr，zR分別為xroyr坐標(biāo)系和xROyR坐標(biāo)系的法向量，則有

zr=zR-D

(1)

其中，D=r+R+d.

采用Schwarz交替法[17-18]對(duì)復(fù)平面多連通域問題求解，令φr(zr)，Ψr(zr)為xroyr坐標(biāo)系的復(fù)應(yīng)力函數(shù)；φR(zR)、ΨR(zR)為xROyR坐標(biāo)系的復(fù)應(yīng)力函數(shù)，則

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

法向支撐力(支護(hù)反力)T的復(fù)應(yīng)力函數(shù)f(nR)表示為：

f(nR)=-TnR

(8)

僅考慮隧道開挖產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力P變化的條件下，存在以下邊界條件：

(9)

(10)

同時(shí)，考慮溶洞與隧道共存條件下的復(fù)應(yīng)力函數(shù)為

(11)

(12)

臨近既有溶洞隧道周邊圍巖內(nèi)任意位置的應(yīng)力分量：

(13)

圖10 溶洞對(duì)圍巖應(yīng)力場分布影響[19-20]Fig.10 Influence of karst cave on stress field of surrounding rock of tunnel[19-20]

4 隧道開挖模擬及分析

為探明有無溶洞及二襯厚度兩主要病害因素對(duì)廣成山隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，基于MIDAS/GTS有限元分析軟件分別建立了不同工況下的數(shù)值模型，用于分析隧道圍巖應(yīng)力與襯砌內(nèi)力的分布情況.

4.1 模型建立及參數(shù)選取

數(shù)值模擬采用MIDAS/GTS數(shù)值軟件構(gòu)建，模型利用板單元模擬圍巖體，桿單元模擬初支和二次襯砌結(jié)構(gòu)，模型破壞準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則.既有工程經(jīng)驗(yàn)表明，開挖作用一般對(duì)隧道3～5倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖體的沉降、變形具有顯著影響[2,4].另外，為降低數(shù)值模型的邊界約束對(duì)巖體計(jì)算的影響，隧道中線到模型左右邊界的距離為4～5倍洞徑，隧底到模型下邊界距離為隧高的3～4倍.隧道上覆巖體僅考慮巖體自重應(yīng)力場作用，側(cè)向僅考慮地應(yīng)力作用.

基于此，本模型的水平方向和豎直方向尺寸分別取77 m和75 m.由于既有條件限制，未能查明實(shí)際填充式溶腔的尺寸和規(guī)模大小.采用直徑為5 m的圓形空腔模擬溶腔對(duì)隧道的影響.模型側(cè)邊界和底面設(shè)置水平約束，底面設(shè)置豎直及水平方向約束.有限元分析模型及模型邊界條件，如圖11所示.具體模型材料參數(shù)，見表1.

圖11 隧道斷面及數(shù)值模型Fig.11 Tunnel section and numerical model

在不考慮襯砌混凝土剛度隨強(qiáng)度發(fā)生變化的前提下，混凝土強(qiáng)度不足并不會(huì)直接引起襯砌結(jié)構(gòu)受力的變化，只會(huì)導(dǎo)致襯砌更容易發(fā)生破壞.因此，本模型考慮了不同襯砌厚度和溶洞影響下的4種工況，分別為：①工況1，無既有溶洞影響，隧道二襯厚度為30 cm(設(shè)計(jì)厚度)；②工況2，存在既有溶洞，隧道二襯厚度為30 cm；③工況3，無既有溶洞影響，隧道二襯厚度為24 cm(檢測最小厚度)；④工況4，存在既有溶洞影響，隧道二襯厚度為24 cm.

表1 模型材料參數(shù)[21]

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.2.1 隧道圍巖變形特性

圖11為4種工況下隧道圍巖水平方向變形分布云圖，S表示水平變形值，mm.由圖12可知，無溶洞條件下隧道圍巖變形表現(xiàn)出了良好的對(duì)稱性，而溶洞存在時(shí)對(duì)隧道圍巖變形具有顯著影響，圍巖水平變形具有非對(duì)稱特征.

對(duì)比工況1和3發(fā)現(xiàn)，隧道二襯厚度為設(shè)計(jì)值30 cm時(shí)，隧道邊墻的水平收斂變形為1.60 mm；隧道二襯厚度為24 cm時(shí)，即隧道襯砌厚度不足時(shí)，隧道邊墻的水平收斂變形為2.00 mm；相比工況1，工況3的二襯厚度降低了26.67%，而其水平收斂變形增加了25.00%.由此可見，無溶洞條件下隧道邊墻處的水平收斂變形并未因?yàn)橐r砌變薄發(fā)生較顯著變化.

由工況2和4變形分布云圖可知，隧道右側(cè)存在溶洞時(shí)，隧道圍巖體的水平變形表現(xiàn)出非對(duì)稱分布特征，隧道右側(cè)圍巖表現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與圖9分析結(jié)果一致.由于受到溶洞位置影響，隧道右側(cè)邊墻的水平收斂變形值明顯大于左側(cè)邊墻，但其收斂值大小與并未因二襯厚度的降低表現(xiàn)出顯著的變化，這與前文分析一致.分析數(shù)據(jù)表明，當(dāng)隧道二襯厚度為30 cm時(shí)，左側(cè)邊墻的水平變形為0.01～1.40 mm，右側(cè)邊墻變形相對(duì)比較明顯其水平變形為3.50～4.70 mm.工況4與2的水平變形特征具有相似之處，工況4左側(cè)邊墻與右側(cè)邊墻的水平變形分別為0.10～1.40 mm和3.60～4.80 mm，相比工況2的水平變形有所提高，但提高幅度不顯著(2.13%～2.86%).

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4

4.2.2 隧道二襯受力特性

圖13為4種工況下隧道二襯軸力分布云圖，N表示二襯軸力，kN.無溶洞條件下隧道邊墻處二襯受到的軸力呈對(duì)稱分布，拱頂位置軸力偏小，距離隧底越近的位置軸力值越大.隧道二襯厚度的降低，二襯所受軸力呈增加趨勢.當(dāng)溶洞存在時(shí)，隧道二襯所受軸力顯著增加，且靠近溶洞側(cè)的軸力值顯著大于隧道左側(cè)邊墻的軸力值，此時(shí)隧道二襯軸力具有非對(duì)稱分布特征.

由圖13發(fā)現(xiàn)，①拱腰與邊墻連接處軸向應(yīng)力的增加較為顯著；二襯厚度為30 cm時(shí)，二襯軸力由40.10 kN增長至50.00 kN，增加了24.68%；由于剝落原因，隧道二襯厚度降低到24 cm時(shí)的軸力則由40.76 kN增加到52.89 kN，提高了29.76%，增加幅度明顯大于前者.②對(duì)比工況1與2、工況3與4發(fā)現(xiàn)，既有溶洞導(dǎo)致二襯最大軸力分別增加了30.99%和31.86%，相比①中的軸力增加幅度顯著提高.可見，既有溶洞為影響襯砌軸力變化的主要因素，而襯砌厚度不足為次要因素.③對(duì)比工況2和4發(fā)現(xiàn)，既有溶洞對(duì)襯砌軸力的影響主要集中于右邊墻和右拱腰，軸力范圍分別為48.87～61.12 kN和51.04～63.98 kN.綜上可知，既有溶洞是引起隧道邊墻二襯軸力增大的關(guān)鍵性因素.

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4

圖14為隧道二襯彎矩分布云圖.由圖14可以看出，在無溶洞條件下最大彎矩主要集中隧道拱腳，而兩側(cè)邊墻彎矩值控制在非常小的范圍內(nèi).隧道邊墻處彎矩值的增加最為顯著，最大彎矩值由0.04 kN×m增長至0.25 kN×m.與溶洞的影響程度相比，襯砌厚度不足所引起的二襯彎矩分布變化比較微小，工況4中邊墻二襯處的最大彎矩值相比工況2僅減少了8%.

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4

綜合上述分析可知，隧道臨近既有溶洞、襯砌厚度不足導(dǎo)致靠近溶洞側(cè)襯砌受力大于設(shè)計(jì)狀態(tài)，靠近溶洞側(cè)隧道襯砌受力大于遠(yuǎn)離溶洞側(cè)，隨著隧道的通車運(yùn)營，在車輛震動(dòng)以及裂隙水對(duì)隧道混凝土結(jié)構(gòu)的長期腐蝕作用下，靠近溶洞側(cè)隧道襯砌優(yōu)先進(jìn)入破壞階段，導(dǎo)致隧道發(fā)生非對(duì)稱式破壞.既有溶洞的影響下，隧道兩側(cè)的圍巖應(yīng)力出現(xiàn)分布不均，靠近圍巖溶洞側(cè)出現(xiàn)明顯的圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象，靠近圍巖溶洞側(cè)的圍壓壓力高于無溶洞條件下隧道拱腰處的圍巖壓力，因此加劇了襯砌變形破裂.

5 結(jié)論

宜萬鐵路廣成山隧道經(jīng)過多年運(yùn)營，隧道K180+261～K180+306段邊墻發(fā)生縱向開裂、剝離，翹殼等災(zāi)害，隧道襯砌形成了典型的非對(duì)稱式破壞模式.為探究形成該破壞模式的孕育機(jī)制，并以期為類似病害的整治提供理論依據(jù)，本文基于廣成山隧道病害檢測結(jié)果，對(duì)該隧道的病害成因進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

(1)隧道右邊墻襯砌厚度不足、病害段襯砌強(qiáng)度偏低以及臨近既有溶洞共同導(dǎo)致病害的發(fā)生.溶洞引起的隧道圍巖非對(duì)稱的應(yīng)力集中是導(dǎo)致右邊墻二襯剝落破壞的主因.襯砌厚度和強(qiáng)度不足也導(dǎo)致二襯混凝土更容易發(fā)生破壞.

(2)理論分析表明臨近既有溶洞側(cè)與遠(yuǎn)離溶洞側(cè)的圍巖應(yīng)力存在明顯差異，且在靠近圍巖溶洞側(cè)存在明顯的圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象，加劇了襯砌的變形破裂.

(3)隧道數(shù)值模型表明臨近既有溶洞、隧道襯砌厚度不足均會(huì)引起邊墻的變形增加、二襯內(nèi)力增大.相比二襯厚度不足，既有溶洞對(duì)隧道應(yīng)力，分布的影響更為顯著，也是導(dǎo)致襯砌發(fā)剝落的主要因素.