隧道施工因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響評(píng)價(jià)研究*

向 龍，田志宇，王 俊，唐 銳，李世琦，聶 亮，何 佳

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地面空間有限，隧道與地下工程發(fā)展迅速。大部分隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為100年，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)承載力、耐久性等提出了更高的要求。然而，受地質(zhì)條件、地下水腐蝕及鈣化、氣候條件、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理等因素影響，隧道病害越來(lái)越多，部分隧道在建設(shè)過(guò)程中或運(yùn)營(yíng)幾年后就出現(xiàn)開(kāi)裂、掉塊、變形、滲漏水等病害。目前國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)主要采用爆破法，機(jī)械化程度不足，施工工序繁多，存在不少潛在危險(xiǎn)源，在施工過(guò)程中，易形成施工缺陷，引起隧道病害。這些病害影響隧道作為快速安全交通通道的功能，且維修加固成本高，存在嚴(yán)重的安全隱患。

近年來(lái)，眾多學(xué)者通過(guò)理論與數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及室內(nèi)相似模型試驗(yàn)等方法，對(duì)隧道施工缺陷進(jìn)行研究。王敏等[1]對(duì)黃土隧道襯砌背后空洞進(jìn)行平面彈塑性計(jì)算，分析不同位置、不同大小的空洞及空洞群對(duì)結(jié)構(gòu)各截面受力及位移的影響；劉海京等[2]研究了隧道襯砌背后空洞對(duì)其變異的影響；佘健等[3]通過(guò)相似模型試驗(yàn)法研究了不同應(yīng)力場(chǎng)下隧道變異特征并提出相應(yīng)加固措施；宋瑞剛等[4]針對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道病害檢測(cè)結(jié)果，利用地層結(jié)構(gòu)法分析了襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響；張偉等[5]分析了公路隧道襯砌裂縫成因，并運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證；姚鐵軍等[6]分析了隧道襯砌裂拱機(jī)理，并總結(jié)出整治措施。本文結(jié)合隧道施工建設(shè)中易出現(xiàn)的襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、襯砌混凝土強(qiáng)度不足、初期支護(hù)鋼架間距不足、襯砌鋼筋層間距不足等施工質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析評(píng)價(jià)各缺陷因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的影響。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

以兩車道公路隧道為模型，對(duì)V級(jí)圍巖鋼筋混凝土襯砌及素混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算，均按JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》計(jì)算方法對(duì)施工質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析研究。所有計(jì)算均由基于通用有限元程序ANSYS和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)語(yǔ)言.net開(kāi)發(fā)的隧道全自動(dòng)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件V2.0完成。

田志宇等[7-11]在相關(guān)文獻(xiàn)中推導(dǎo)了隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的計(jì)算公式，本文不做贅述。

1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 襯砌支護(hù)參數(shù) cm

對(duì)V級(jí)圍巖鋼筋混凝土襯砌及素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，主要材料為巖土、支護(hù)結(jié)構(gòu)(混凝土、鋼筋)，相應(yīng)材料參數(shù)按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》、JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》取值，圍巖等級(jí)為V級(jí)，巖土容重γ為18.5kN/m3,計(jì)算摩擦角φc為40°，初期支護(hù)(二次襯砌)彈性抗力系數(shù)k為150×103(180×103)kPa/m，巖體修正質(zhì)量指標(biāo)(BQ)為180。支護(hù)材料參數(shù)如表2所示，其余參數(shù)按規(guī)范取值。

表2 支護(hù)材料參數(shù)

1.2 二次襯砌計(jì)算荷載

二次襯砌為V級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)，側(cè)壓力系數(shù)λ為0.36，隧道垂直壓力q為188.81kN/m2，隧道側(cè)壓力e為 67.22kN/m2。參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》，Z5型二次襯砌承擔(dān)總荷載的65%，初期支護(hù)承擔(dān)總荷載的35%。

1.3 計(jì)算結(jié)果

荷載作用下Ⅴ級(jí)圍巖鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，Z5型鋼筋混凝土二次襯砌安全系數(shù)為4.6～17.3，拱頂、拱腳處安全系數(shù)相對(duì)較小，拱腰、拱肩、仰拱處安全系數(shù)相對(duì)較大。

圖1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

2 襯砌背后空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

隧道襯砌背后接觸狀態(tài)可分為接觸密實(shí)、接觸松散和空洞3種情況[12]，襯砌背后接觸松散和空洞通常會(huì)導(dǎo)致襯砌背后約束減少或局部喪失。宋瑞剛等[4]對(duì)襯砌背后空洞及接觸問(wèn)題進(jìn)行了研究；王述紅等[13]對(duì)不同位置空洞條件下隧道破壞模式進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出不同位置空洞時(shí)隧道的破壞模式、破壞順序等規(guī)律。本文采用荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)襯砌背后空洞、接觸松散進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 背后空洞計(jì)算分析

通過(guò)對(duì)隧道Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，可知隧道拱頂、拱腳處彎矩最大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小，故本文僅對(duì)隧道不利位置拱頂、拱腳進(jìn)行空洞模擬計(jì)算分析?？斩从?jì)算模型如圖2所示，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)空洞計(jì)算模型

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)空洞安全系數(shù)

二次襯砌在厚度、配筋相同情況下，拱頂處彎矩大，拱腳處圓弧半徑小，應(yīng)力集中、彎矩大，安全系數(shù)最小?？刹扇≡黾庸绊?、拱腳厚度或加強(qiáng)鋼筋等措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以防止長(zhǎng)期地壓作用下拱頂、拱腳被拉裂。

由圖3可知，Ⅴ級(jí)圍巖鋼筋混凝土襯砌最小安全系數(shù)為4.60，拱頂有空洞時(shí)為4.21，拱腳有空洞時(shí)為3.39，說(shuō)明拱腳有空洞時(shí)結(jié)構(gòu)更不安全；受空洞影響下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高低排序?yàn)椋簾o(wú)缺陷>拱腰空洞>仰拱空洞>拱頂空洞>拱腳空洞；空洞安全性受地質(zhì)條件、空洞大小、地下應(yīng)力分布、拱頂沖擊荷載等影響較大，通過(guò)計(jì)算，拱頂和拱腳處彎矩最大，安全系數(shù)最小，背后空洞會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎矩增大，安全系數(shù)進(jìn)一步降低。

2.2 背后接觸松散計(jì)算分析

根據(jù)規(guī)范，V級(jí)圍巖彈性抗力系數(shù)取100～200MPa/m，圍巖級(jí)別越高，彈性抗力系數(shù)越小。襯砌背后接觸松散可通過(guò)減小彈性抗力系數(shù)進(jìn)行模擬，選取50～200MPa/m彈力抗性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如表3所示。

表3 彈性抗力系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

由表3可知，彈性抗力系數(shù)減小時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)軸力影響不大，但由于結(jié)構(gòu)受到的圍巖約束減弱，導(dǎo)致彎矩增大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低；襯砌拱腳部位安全系數(shù)較拱頂處略大，當(dāng)圍巖彈性抗力系數(shù)由200MPa/m降低至50MPa/m時(shí)，拱頂安全系數(shù)從5.0降低至1.9，拱腳安全系數(shù)由5.3降低至2.5，均降低50%～60%，說(shuō)明襯砌背后接觸松散對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響極大；圍巖越差，背后空洞或接觸松散越易形成，對(duì)于地質(zhì)極差或背后因噴射混凝土不密實(shí)形成松散圈，需進(jìn)行注漿加固等處理，確保結(jié)構(gòu)和巖層緊貼密實(shí)。

3 襯砌厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

計(jì)算分析襯砌厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 Z5襯砌厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

由表4可知，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)厚度從0.45m降低至0.25m時(shí)，拱頂安全系數(shù)從4.6降低至4.0，降幅約13%，拱腳安全系數(shù)從5.1降低至2.8，降幅約45%，說(shuō)明襯砌厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)影響較大，且對(duì)拱腳處的影響更顯著。素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)厚度從0.45m降低至0.25m，拱頂安全系數(shù)從1.4降低至1.1，降幅約21%；拱腳安全系數(shù)由1.4降低至0.8，降幅約43%，降低幅度與鋼筋混凝土工況相當(dāng)。鋼筋對(duì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性作用明顯，相同情況下，二次襯砌有配筋的安全系數(shù)約為沒(méi)有配筋的3.5倍。

4 襯砌混凝土強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

計(jì)算分析混凝土強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，結(jié)果如表5所示。由表5可知，鋼筋混凝土工況下，混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C40降低至C15時(shí)，拱頂安全系數(shù)從5.1降低至4.3，說(shuō)明該工況下，拱頂處安全性受混凝土強(qiáng)度影響不明顯；拱腳安全系數(shù)由6.0降低至3.5，降幅約42%，說(shuō)明拱腳部位受混凝土強(qiáng)度影響更顯著。素混凝土工況下，混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C40降低至C15時(shí)，拱頂、拱腳處安全系數(shù)變化規(guī)律基本一致，均從1.7降低至1.1，降幅約35%。說(shuō)明沒(méi)有配筋時(shí)，拱頂部位安全性很大程度上靠提升混凝土強(qiáng)度來(lái)保證，也進(jìn)一步說(shuō)明配筋可有效保障結(jié)構(gòu)安全。素混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土強(qiáng)度降低對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響更大。

表5 Z5結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

5 襯砌鋼筋層間距對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

現(xiàn)場(chǎng)施工中普遍存在對(duì)鋼筋層間距不夠重視的問(wèn)題，保護(hù)層厚度不足，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響較大；保護(hù)層過(guò)厚，會(huì)增大結(jié)構(gòu)開(kāi)裂性，且直接導(dǎo)致鋼筋層間距減小，降低結(jié)構(gòu)安全性。計(jì)算分析保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

Ⅴ級(jí)圍巖結(jié)構(gòu)二次襯砌厚度為45cm，保護(hù)層厚度為5cm，鋼筋層間距約35cm，在正常工況計(jì)算下，拱頂安全系數(shù)為4.6。由表6可知，當(dāng)保護(hù)層厚度逐漸增加至20cm，鋼筋層間距減小至25cm時(shí)，拱頂安全系數(shù)從4.6降低至3.4，降幅約26%；拱腳安全系數(shù)從5.1降低至3.9，降幅約24%。拱頂、拱腳安全系數(shù)變化規(guī)律基本一致。襯砌鋼筋層間厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響較大，現(xiàn)場(chǎng)鋼筋層間距是施工中難以控制和易忽略的檢查點(diǎn)，因此應(yīng)引起高度重視，確保鋼筋層間距滿足設(shè)計(jì)要求。

6 初期支護(hù)鋼架間距對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

V級(jí)圍巖鋼架間距設(shè)計(jì)為0.8m，采用I18，對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中0.6～1.2m鋼架間距進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 鋼架間距對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

由表7可知，在鋼架間距0.8m工況下，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.8，加密鋼架間距至0.6m時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)增加至3.4，鋼架間距調(diào)整為1.2m時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低至2.1，降幅達(dá)38%，說(shuō)明鋼架間距對(duì)結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)影響較大。

7 結(jié)語(yǔ)

1)結(jié)構(gòu)安全影響一般為多重因素疊加作用，通過(guò)計(jì)算背后接觸松散、結(jié)構(gòu)厚度等工況，得到各缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)影響按大小排序?yàn)椋罕澈蠼佑|松散>結(jié)構(gòu)厚度>鋼筋層間距>結(jié)構(gòu)強(qiáng)度>局部空洞>鋼架間距。

2)襯砌背后空洞及背后松散對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響極大，施工中應(yīng)盡可能減少初期支護(hù)與圍巖間的空隙和空洞。施工后對(duì)于背后空洞、背后噴混凝土不密實(shí)形成松散圈及地質(zhì)極差等情況務(wù)必進(jìn)行空洞處理及圍巖松散圈注漿加固處理。

3)隧道施工中時(shí)常忽略鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋層間距及箍筋施工質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算可知，襯砌中鋼筋層間距對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)影響極大，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制其層間距、箍筋綁扎質(zhì)量等。

4)拱頂和拱腳彎矩大，安全系數(shù)最低，設(shè)計(jì)及施工中宜采取加強(qiáng)拱頂及拱腳厚度、加強(qiáng)鋼筋及抗拉錨桿布置等措施優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

本文主要對(duì)公路兩車道V級(jí)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，但按規(guī)范進(jìn)行常規(guī)計(jì)算，具有一定片面性，特殊地質(zhì)及地應(yīng)力情況下應(yīng)進(jìn)行特殊研究分析。