襯砌空洞對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律研究

王應(yīng)球

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

在山地路線修建的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施難免需要隧道結(jié)構(gòu)來使其連接起來,而隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作,在施工過程中往往會(huì)由于各種不可控的因素,產(chǎn)生大量隧道結(jié)構(gòu)的缺陷和病害,其中襯砌背后的空洞就是最常見的隧道病害[1-2]。

襯砌空洞病害會(huì)給隧道結(jié)構(gòu)帶來襯砌破裂、混凝土破壞等一系列的問題,降低隧道結(jié)構(gòu)的安全性,嚴(yán)重影響隧道內(nèi)行車的安全。而隧道作為一種地下結(jié)構(gòu),當(dāng)其發(fā)生或者存在病害時(shí),一般是比較難以進(jìn)行及時(shí)的檢測或監(jiān)測的[3-4]。因此有必要研究襯砌空洞對隧道結(jié)構(gòu)各個(gè)方面的影響規(guī)律,揭示襯砌空洞的致災(zāi)機(jī)理,及時(shí)提出有效的修復(fù)手段,保證隧道結(jié)構(gòu)整體的安全性[5]。

針對隧道內(nèi)襯砌空洞病害,國內(nèi)外學(xué)者對此已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究。孫壽榜等[6]為了研究隧道及襯砌空洞參數(shù)對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律,結(jié)合探地雷達(dá)的無損檢測手段,建立了帶襯砌空洞病害的隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,研究了埋深、空洞深度及距二次襯砌的距離、二次襯砌厚度這四個(gè)參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響,并進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果表明空洞深度對襯砌部件受力的影響最大。鄧皇根[7]針對不同形式的組合襯砌空洞,結(jié)合Midas GTS NX軟件對含襯砌空洞病害的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,建立三種不同組合的空洞隧道模型,研究了組合病害對隧道結(jié)構(gòu)受力和安全系數(shù)的影響規(guī)律,研究表明,組合空洞會(huì)使襯砌結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生很大的變化,并且減低隧道結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),最為危險(xiǎn)的組合空洞形式是右拱腳(30°)+ 右拱腰(30°)。張素磊等[8]針對公路交通隧道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的空洞病害,通過整理和匯總大量現(xiàn)有公路隧道的無損檢測資料,對公路交通隧道內(nèi)襯砌空洞病害的特征參數(shù)進(jìn)行了總結(jié),包括縱向長度、圍巖等級(jí)、徑向高度等,并在此基礎(chǔ)上,研究了空洞各個(gè)特征參數(shù)的變化對襯砌結(jié)構(gòu)受力的力學(xué)特性的影響規(guī)律,研究的成果為襯砌空洞病害的治理提供了理論依據(jù)。

本文基于FLAC 3D有限差分軟件,建立六種不同工況下的隧道襯砌空洞數(shù)值模型,為無空洞和襯砌空洞位置分別為拱頂、拱肩、邊墻、拱腳和底板。通過對比不同位置襯砌空洞下隧道模型的變形位移、應(yīng)力分布特征、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力數(shù)值特點(diǎn),研究了襯砌空洞對隧道結(jié)構(gòu)安全性影響規(guī)律。

1 隧道襯砌空洞計(jì)算模型

采用有限差分軟件FLAC 3D建立含襯砌空洞病害的隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,研究襯砌空洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律。所選取的隧道斷面如圖1所示。該隧道斷面的形式為三心圓形,橫向的隧道寬度為13.6 m。

圖1 三心圓形隧道斷面圖(m)

建模時(shí),采用空模型來模擬隧道的開挖施工過程和襯砌背后的空洞,隧道結(jié)構(gòu)四周的土體和巖體采用摩爾-庫侖模型模擬,施工后的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性體來模擬。同時(shí),采用全斷面開挖工法來模擬隧道結(jié)構(gòu)的施工過程,其簡化后的建模流程如圖2所示。

圖2 建模流程圖

在對含襯砌空洞病害的隧道結(jié)構(gòu)建模時(shí),選用Ⅳ級(jí)圍巖,其圍巖的相關(guān)參數(shù)按照鐵路隧道規(guī)范選取,為了充分考慮結(jié)構(gòu)大小局限性對計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的影響,選取的模型長、寬、高分別為40 m、100 m、100 m。模型中的初期支護(hù)和二次襯砌的相關(guān)參數(shù)選取如表1所示。

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)選取表

隧道結(jié)構(gòu)的襯砌空洞具有多樣性,主要是由于其出現(xiàn)的位置存在不同。為了模擬不同位置出現(xiàn)的襯砌空洞病害,對比研究其對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響,一共建立了五種不同襯砌脫空的數(shù)值模型,襯砌空洞位置分別為拱頂、拱肩、邊墻、拱腳和底板。同時(shí)為了進(jìn)行對比,建立無襯砌空洞的隧道結(jié)構(gòu)模型。所以一共有六種工況下的隧道數(shù)值模型,如圖3所示。

(a)無空洞

在前述模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行含襯砌空洞病害的隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的建立,同時(shí)在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),要滿足計(jì)算的要求。如圖4所示為網(wǎng)格劃分后的隧道結(jié)構(gòu)模型圖。在進(jìn)行計(jì)算前要考慮初始應(yīng)力場的存在,即要先對結(jié)構(gòu)模型施加重力的作用,并選取施加重力后的模型狀態(tài)作為計(jì)算的初始狀態(tài)。

圖4 網(wǎng)格劃分后隧道結(jié)構(gòu)模型圖

2 變形位移結(jié)果分析

隧道結(jié)構(gòu)的變形位移對結(jié)構(gòu)的受力特性和安全有著直接的影響,為了保證隧道結(jié)構(gòu)的安全性和行車的安全性,研究不同空洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,提取模型計(jì)算結(jié)果中的變形位移結(jié)果是十分有必要的。表2所示為運(yùn)營時(shí)五種空洞工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形位移數(shù)值匯總;圖5所示為運(yùn)營時(shí)五種空洞工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大變形位移數(shù)值曲線。

表2 變形位移數(shù)值匯總表(mm)

圖5 五種空洞工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大變形位移數(shù)值曲線圖

由表2以及圖5可知:

(1)圍巖發(fā)生最大水平位移和最大豎直位移的工況為當(dāng)空洞位于拱頂時(shí),其數(shù)值分別為4.741 7 mm和21.440 0 mm。通過這些最大值可以看出,相比于其他四種工況,當(dāng)空洞位于拱頂時(shí)對隧道結(jié)構(gòu)的變形位移影響最大。

(2)排除空洞位于邊墻這一工況,其余四種工況中最大豎向變形位移均大于最大水平變形位移。

(3)五種工況下的襯砌空洞,最大水平、豎向變形位移值均出現(xiàn)在其四周圍巖處。

3 應(yīng)力結(jié)果分析

當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)中襯砌背后出現(xiàn)空洞病害時(shí),會(huì)改變隧道和周圍圍巖的受力特性,打破其原有的力學(xué)平衡。為了更好地掌握隧道結(jié)構(gòu)和襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,了解空洞對隧道結(jié)構(gòu)和襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響,提取模型計(jì)算結(jié)果中的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行分析是十分有必要的。

六種工況下最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及其存在的位置數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?、表4所示,同時(shí)表中也比對分析了五種空洞工況下數(shù)值和無空洞工況數(shù)值的變化。由表3～4可知,六種工況最大主應(yīng)力的出現(xiàn)位置基本都位于拱頂和拱肩;六種工況最小主應(yīng)力的出現(xiàn)位置基本都位于拱肩和邊墻。六種工況最大和最小應(yīng)力數(shù)值的變化曲線如圖6所示。

表3 最大主應(yīng)力匯總表(Pa)

表4 最小主應(yīng)力匯總表(Pa)

(a)最大主應(yīng)力

由圖6可知,六種工況下,當(dāng)拱頂發(fā)生空洞時(shí),其最大主應(yīng)力數(shù)值最大;當(dāng)邊墻發(fā)生空洞時(shí),其最小主應(yīng)力數(shù)值最大。

4 測點(diǎn)分析

選取隧道襯砌上不同部位設(shè)置一定數(shù)量的測點(diǎn),提取每個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,再進(jìn)行對比分析,可以更好地進(jìn)行橫向比較,突出空洞位置變化對隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。隧道橫斷面上各測點(diǎn)的布置圖如圖7所示,一共選取8個(gè)測點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)的位置詳細(xì)描述如圖8所示。

圖7 隧道橫斷面上各測點(diǎn)的布置圖

圖8 各測點(diǎn)的位置詳細(xì)描述圖

圖9和圖10分別為8個(gè)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力曲線圖和最小主應(yīng)力曲線圖。由圖9可知,所有測點(diǎn)中,拱頂發(fā)生空洞時(shí)拱頂處的測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值最大,且通常在出現(xiàn)空洞的位置產(chǎn)生應(yīng)力變化,而其他測點(diǎn)的數(shù)值則一致;由圖10可知,底板發(fā)生空洞時(shí)其測點(diǎn)6和無空洞時(shí)測點(diǎn)7的數(shù)值比較小。

圖9 8個(gè)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力曲線圖

圖10 8個(gè)測點(diǎn)的最小主應(yīng)力曲線圖

5 結(jié)語

本文基于FLAC 3D有限差分軟件,建立不同工況下的隧道襯砌空洞數(shù)值模型,通過對比不同位置襯砌空洞下隧道模型的變形位移、應(yīng)力分布特征、最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力數(shù)值特點(diǎn),研究了襯砌空洞對隧道結(jié)構(gòu)安全性影響規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)圍巖發(fā)生最大水平位移和最大豎直位移的工況為空洞位于拱頂時(shí)。相比于其他四種工況,空洞位于拱頂時(shí)對隧道結(jié)構(gòu)的變形位移影響最大。

(2)除空洞位于邊墻這一工況,其余四種空洞工況中最大豎向變形位移均大于最大水平變形位移。五種空洞工況下的襯砌空洞,最大水平、豎向變形位移值均出現(xiàn)在其四周圍巖處。

(3)無空洞工況下,襯砌結(jié)構(gòu)中拱頂、拱肩受到的是拉應(yīng)力且拱頂處最大;在其余五種空洞工況下,對襯砌影響范圍從大到小依次為拱肩、邊墻、拱腳、底板、拱頂;空洞處應(yīng)力集中從大到小依次為拱頂、邊墻、拱腳、底板、拱肩;五種空洞工況對空洞位置附近的應(yīng)力狀態(tài)都有很大的改變。

(4)無空洞工況下,拱肩和邊墻內(nèi)側(cè)這兩處的壓應(yīng)力最大;會(huì)改變空洞附近襯砌應(yīng)力狀態(tài)的工況為拱肩、邊墻、拱腳、底板;五種空洞工況對空洞位置附近的應(yīng)力狀態(tài)都有很大的改變。