拱頂脫空對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響分析

王 丹

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院 天津 300300)

1 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展完善，我國(guó)軌道交通行業(yè)取得了令人矚目的成績(jī)。城市軌道交通建設(shè)主要采用暗挖法施工，而初期支護(hù)和二次襯砌作為暗挖隧道的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)[1－2]，初期支護(hù)往往由于爆破控制不當(dāng)導(dǎo)致圍巖超欠控嚴(yán)重使得初期支護(hù)背后出現(xiàn)脫空；而二次襯砌施工過程中，在重力、混凝土流動(dòng)性較差和模板支撐松弛等原因的共同作用下，在隧道拱頂位置易出現(xiàn)空洞[3－4]，對(duì)襯砌整體結(jié)構(gòu)受力不利，且在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)地鐵動(dòng)荷載作用下安全隱患更大。因此，對(duì)襯砌背后空洞的影響作用進(jìn)行研究顯得尤為重要。郭建強(qiáng)等[5]對(duì)既有隧道襯砌空洞的成因進(jìn)行分析，在“拱頂防脫空預(yù)注漿”措施基礎(chǔ)上，采用雷達(dá)檢測(cè)及敲擊等方法，避免了隧道襯砌空洞及開裂病害；蔣暉光[6]依托某鐵路隧道缺陷處治工程，應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)不同襯砌空洞程度及不同脫空位置下的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行分析，結(jié)果表明襯砌空洞降低了結(jié)構(gòu)的整體受力性能和安全性；趙陽(yáng)川等[7]依托某高速鐵路隧道，分析襯砌空洞主要原因是工藝設(shè)備落后及施工工藝過程管控不嚴(yán)，并提出開窗二次澆筑法及回填注漿措施；任志坤[8]采用有限元法對(duì)隧道襯砌頂部有空洞和無(wú)空洞的受力情況進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明無(wú)空洞的隧道襯砌頂部始終處于受力平衡狀態(tài)，襯砌存在空洞打破原有的力學(xué)平衡，易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。綜上所述，目前有關(guān)隧道襯砌空洞的研究比較多，主要集中在隧道襯砌空洞的形成原因、危害及整治措施方面，而有關(guān)襯砌空洞對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的影響研究還不全面，因此，研究襯砌拱頂脫空對(duì)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律非常必要。

2 襯砌背后脫空成因及危害

2.1 襯砌背后脫空的成因

隧道襯砌結(jié)構(gòu)不僅有提高隧道承載力、穩(wěn)定性，防止隧道出現(xiàn)坍塌的作用，而且起著控制圍巖變形，與圍巖相互作用共同承載的作用。隧道襯砌結(jié)構(gòu)主要包括初期支護(hù)和二次襯砌，一般在兩次襯砌施工中都可能導(dǎo)致空洞的形成，因此，對(duì)兩次襯砌形成空洞的原因進(jìn)行分析如下:

(1)在初期支護(hù)施工中，超挖是導(dǎo)致隧道出現(xiàn)空洞的主要原因，而對(duì)超挖產(chǎn)生影響的主要有節(jié)理與爆破兩大因素。節(jié)理走向與隧道中心軸線夾角的不同，會(huì)使得施工超挖概率的不同。而在爆破施工過程中，鉆孔作業(yè)人員為便于施工，鉆孔作業(yè)時(shí)炮孔布置間距及偏角與爆破設(shè)計(jì)存在較大差異，這種施工操作是導(dǎo)致超挖主要因素之一。

(2)在二次襯砌施工中，若混凝土噴射厚度不足時(shí)，將會(huì)留下空洞而影響工程整體質(zhì)量。為保證拱腳與邊墻位置混凝土的密實(shí)性，通常按先澆筑拱腳，后邊墻，最后拱頂?shù)臐仓樞颍谥亓εc混凝土流動(dòng)性較差等原因作用下，該種澆筑方式易導(dǎo)致拱頂混凝土密實(shí)性較差，造成隧道拱頂出現(xiàn)脫空現(xiàn)象；此外，襯砌防水板過于松弛導(dǎo)致模板彎折，也易造成襯砌背后脫空。

2.2 襯砌背后脫空的危害

襯砌脫空是隧道發(fā)生事故或病害的重要原因。其中，混凝土剝落、拱頂部位被壓裂等病害主要是由于襯砌背后脫空所致。而空洞對(duì)隧道的破壞形式主要有以下3種:

(1)導(dǎo)致圍巖變形。當(dāng)襯砌出現(xiàn)脫空時(shí)會(huì)造成圍巖松弛、變形，同時(shí)降低圍巖承載力。然而，這是沒有先兆性的，屬于脆性破壞，且隨著時(shí)間的推移，圍巖會(huì)逐漸脫落，造成圍巖承載力大幅降低，而襯砌承擔(dān)的荷載大幅提升，當(dāng)達(dá)到襯砌承載力臨界點(diǎn)時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)襯砌破壞、隧道坍塌，如圖1a所示。

(2)導(dǎo)致鋼筋腐蝕。當(dāng)隧道拱頂存在空洞時(shí)，會(huì)改變地下水的滲流路徑，使得地下水入滲到隧道鋼筋混凝土中，造成鋼筋腐蝕，在一定程度上降低了襯砌的承載力。

(3)導(dǎo)致襯砌開裂。由于空洞位置失去了底層反力作用，因此，隨著時(shí)間推移會(huì)逐漸向外側(cè)擠出變形，使得空洞處襯砌不僅會(huì)受到內(nèi)側(cè)的壓力，而且還會(huì)受到外側(cè)的拉力，造成脫空位置襯砌開裂(見圖1b)，甚至被壓潰。襯砌開裂不僅會(huì)降低其承載能力，同時(shí)，還會(huì)降低整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生坍塌事故。

由于襯砌的類型不同、位置不同、圍巖級(jí)別不同，襯砌背后所產(chǎn)生的空洞也具有一定差異，通常表現(xiàn)為以下幾種狀態(tài)[9]:(1)對(duì)于襯砌背后的空洞累計(jì)長(zhǎng)度約占據(jù)隧道總長(zhǎng)度的10%，主要表現(xiàn)為初期支護(hù)背后脫空現(xiàn)象，復(fù)合式襯砌背后出現(xiàn)空洞的情況較少；(2)脫空現(xiàn)象與圍巖的穩(wěn)定性具有密切聯(lián)系，二者之間呈反比例關(guān)系，即圍巖穩(wěn)定性越高，則脫空現(xiàn)象越少，一般情況下，隧道拱頂位置空洞的數(shù)量最多、尺寸最大，其次是拱腰位置，最后是拱腳位置。隧道開挖面積較小時(shí)，則脫空直徑大多為20～50 cm，脫空深度大約在10～50 cm之間，拱頂脫空角度為10°～30°，如圖2所示。

3 數(shù)值計(jì)算模型

3.1 數(shù)值模型建立

綜合考慮各方面因素，建立二維平面應(yīng)變模型，整體模型尺寸為100 m×60 m(長(zhǎng)度×寬度)，其中雙線地鐵隧道開挖寬度為12.5 m，開挖高度為10.5 m。為保證計(jì)算結(jié)果具有準(zhǔn)確性及運(yùn)算速度，對(duì)隧道近區(qū)網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)區(qū)網(wǎng)格相對(duì)較稀疏，共劃分為3 256個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 764個(gè)單元，隧道襯砌共劃分為49個(gè)梁?jiǎn)卧?。?shù)值計(jì)算模型中，地層及徑向加固圈均采用平面應(yīng)變單元模擬，襯砌采用梁?jiǎn)卧M，拱頂脫空為月牙形空洞采用無(wú)接觸單元。模型中僅考慮自重作用，底部邊界為豎向位移約束，左右邊界為法向約束。

3.2 模型參數(shù)選取

隧道淺埋與深埋的襯砌受力規(guī)律并無(wú)明顯差異，而圍巖的受力情況受地質(zhì)環(huán)境變化會(huì)有所差異?？紤]隧道徑向錨桿或徑向小導(dǎo)管注漿加固影響，隧道襯砌周邊形成環(huán)向4 m范圍的加固圈，加固圈采用等效模量法確定[10]，而隧道二次襯砌采用厚度為40 cm的C30現(xiàn)澆混凝土，隧道二次襯砌及Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)選取[11]，具體模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬工況

基于二維數(shù)值模型，對(duì)不同襯砌拱頂脫空尺寸下隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行分析。同等深度狀態(tài)下，假設(shè)深度D為30 cm，拱頂脫空角度范圍α分別為10°、20°、30°；同等脫空角度范圍下，拱頂脫空角度范圍α為20°，脫空深度D分別為10、30、50 cm，具體分析工況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬工況

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 隧道襯砌受力特征分析

圖3為不同工況下隧道襯砌單元受力分布。從圖中可以看出，襯砌單元軸力隨著拱頂脫空角度范圍的增大，整體呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，但襯砌各單元軸力分布規(guī)律保持不變，說明隧道拱頂脫空改變了襯砌與圍巖的接觸方式，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)發(fā)生改變；而隧道拱頂脫空深度對(duì)隧道襯砌軸力影響較小，隨著脫空深度的增大，軸力減小幅度很小。因此，襯砌結(jié)構(gòu)軸力受拱頂脫空角度范圍影響較大，而與脫空深度影響關(guān)系較小。不同拱頂脫空深度及脫空角度范圍下，襯砌受到的彎矩形式并無(wú)顯著差異，且拱頂?shù)恼⒇?fù)彎矩值與脫空深度、脫空角度呈正比例關(guān)系，隨著拱頂脫空角度范圍的增大，拱頂彎矩由正值(襯砌內(nèi)側(cè)受拉)減小至0再減小至負(fù)值(襯砌外側(cè)受拉)，其鄰近拱腰位置彎矩發(fā)生“反轉(zhuǎn)”平移，因此拱頂脫空對(duì)隧道拱頂及鄰近位置均產(chǎn)生不利影響。

圖3 不同工況下隧道襯砌單元受力分布

4.2 隧道襯砌穩(wěn)定性分析

襯砌截面的安全系數(shù)K是評(píng)定隧道整體結(jié)構(gòu)安全性能的主要指標(biāo)[12]，其計(jì)算方式如下:

(1)當(dāng)偏心距e0≤0.2h時(shí)

式中，K為襯砌截面的安全系數(shù)；Ra為襯砌的最大抗壓強(qiáng)度(MPa)；N為軸向力(kN)；b為襯砌截面寬度(m)；h為襯砌截面厚度(m)；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)；α0為軸向力的偏心影響系數(shù)。

(2)當(dāng)偏心距e0>0.2h時(shí)

式中，R0代表襯砌的最大抗拉強(qiáng)度(MPa)；M為彎矩(kN·m)；其他符號(hào)物理意義同前。

從表3中可以看出，工況1表示正常工況下襯砌拱頂和鄰近單元均表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，襯砌單元安全系數(shù)均大于2.0，處于安全狀態(tài)。隨著拱頂脫空角度范圍和脫空深度的不斷增大，安全系數(shù)呈現(xiàn)下減趨勢(shì)，相比脫空深度而言，脫空角度范圍對(duì)安全性系數(shù)影響較大，拱頂脫空位置及鄰近單元為大偏壓受拉破壞，因此，脫空位置為隧道整體結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并采取相應(yīng)處置措施，確保襯砌背后填充密實(shí)。

表3 襯砌單元安全性系數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文統(tǒng)計(jì)分析了隧道襯砌脫空的形成原因及病害特征，襯砌易脫空的主要因素是破碎節(jié)理化巖體及隧道爆破超欠挖控制不利，而隧道襯砌脫空易導(dǎo)致襯砌開裂、滲水、鋼筋腐蝕及運(yùn)營(yíng)隧道襯砌局部坍塌等危害；另外，通過數(shù)值模擬分析6種不同隧道拱頂脫空角度范圍與脫空深度組合工況作用下襯砌單元的力學(xué)特性及穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論:不同脫空深度及脫空角度條件下，襯砌受到的彎矩大小并無(wú)顯著差異，且拱頂?shù)恼?、?fù)彎矩值與脫空深度、脫空角度呈正比例關(guān)系。而拱頂脫空僅引起小范圍內(nèi)的軸力變化，且變化較小，因此拱頂負(fù)彎矩最大處的襯砌截面最危險(xiǎn)，易發(fā)生拱頂襯砌外側(cè)大偏心受拉破壞，而鄰近單元內(nèi)側(cè)易發(fā)生受拉破壞現(xiàn)象。本文通過隧道拱頂脫空力學(xué)特征分析，提出拱頂脫空對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)影響的最不利受力狀態(tài)及危害，因此在施工中應(yīng)避免出現(xiàn)拱頂脫空。