煤系地層公路隧道襯砌結構缺陷狀態(tài)下結構安全性評估方法

楊文江，趙文霞，段明月

（1.山西交科公路勘察設計院有限公司，山西太原 030032；2.山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

公路隧道建設期受地質條件、地下水文變化和施工技術的影響，會發(fā)生襯砌厚度不足、巖體富水改變圍巖受力等不利于隧道結構安全的情況。當隧道襯砌厚度不足時，在圍巖壓力的作用下，隧道襯砌會發(fā)生較大結構變形，嚴重時甚至會發(fā)生襯砌混凝土開裂、脫落等現(xiàn)象，威脅公路隧道的運營安全。

在煤系地層中，巖層多以砂泥巖互層等差異性風化地層為主。受隧道施工開挖影響，隧道影響區(qū)圍巖結構松散，易形成巖層裂隙水聚集通道，但泥巖層因具有隔水性阻擋了巖層裂隙水的排泄。隧道圍巖受滯留裂隙水的浸泡軟化后，巖層承載力下降，引起隧道結構受力不均勻。如隧道襯砌存在結構缺陷，由于應力集中，往往結構缺陷部位表征出的結構病害更為嚴重。因此，煤系地層條件下如何針對存在結構缺陷的公路隧道進行科學的結構安全性評估，從而為隧道病害處治提供技術支撐是目前煤系地層公路隧道養(yǎng)護過程中需要解決的技術問題之一。

公路隧道襯砌結構缺陷以襯砌厚度不足為常見病害，而煤系地層圍巖富水也是較為常見的現(xiàn)象。本文以襯砌厚度不足和圍巖富水兩種不利條件下的某高速公路隧道為研究對象，闡述襯砌結構安全性評估方法。

1 工程背景

某高速公路隧道為左右線分離式隧道，長1 005 m，主洞為雙行單洞斷面，凈寬10.25 m，凈高7.15 m，斷面為三心圓斷面。洞體最大埋深108.2 m，圍巖由二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）強-弱風化紅色薄層狀泥巖、砂質泥巖組成，隧道圍巖屬于極軟巖-軟巖，圍巖巖體板狀交錯層理較發(fā)育，巖體較破碎，工程性質較差。洞體埋深范圍內有地下水分布，出水狀態(tài)為點滴狀出水。圍巖綜合判定為Ⅳ2、Ⅳ3 級。隧道斷面如圖1所示。

圖1 隧道標準斷面圖（單位：cm）

隧道運營過程中出現(xiàn)二次襯砌邊墻縱向、斜向開裂、拱腳下沉、路面隆起并伴生縱向開裂和路面錯臺等病害。隧道病害段落分布長度為65 m。

為探明隧道病害原因，管養(yǎng)單位進行了專項結構檢測和地質勘察工作。地質勘察地質鉆孔深度為隧道路面標高以下13 m 并通過巖芯取樣進行了室內試驗。

通過地質勘察結論可知，隧道病害區(qū)地質以二疊系巨厚層全風化泥巖下伏強風化泥巖為主；隧道病害區(qū)水位較淺，鉆孔水位深度距離路面標高0.1～2.7 m。說明隧道病害區(qū)鉆孔附近富水性強，且無法排出；由于隧址區(qū)內巖層傾角較大，泥巖具有隔水作用，泥巖處于飽和狀態(tài)。

結構檢測結論顯示病害區(qū)隧道二襯為素混凝土結構，厚度為25～40 cm 不等，隧道路面層以下結構厚度為76～160 cm。

查閱相關技術資料，該段隧道圍巖分類為Ⅳ級，襯砌采用復合式襯砌結構，其中初期支護為：長5 m、環(huán)向間距45 cm、縱向間距3.6 m 的φ25 超前早強砂漿錨桿+長3 m、間距1 m×0.9 m 的φ22 系統(tǒng)錨桿+縱向間距0.9 m 的I16 型鋼拱架+23 cm 厚C25 噴射混凝土；二襯為40 cm 厚C25 模筑混凝土。初期支護與二次襯砌之間設有防水板、環(huán)形排水管等排水設施。隧道仰拱結構為間距0.9 m 的Ⅰ16 型鋼拱架+40 cm 模筑C25 混凝土仰拱+C15 片石混凝土仰拱回填層+隧道路面結構層。隧道仰拱結構整體厚度為150～210 cm。

由此可見，病害區(qū)隧道結構受襯砌厚度不足的缺陷和隧道圍巖富水、軟化等兩種不利因素的影響。

2 隧道結構安全性分析方法

2.1 評估方法

隧道襯砌結構安全性評估以破損階段理論為基礎，首先計算二次襯砌所受荷載，然后借助有限元數(shù)值模擬軟件進行隧道結構內力計算分布，之后進行隧道結構內力計算，最后采用混凝土結構強度安全系數(shù)法對隧道二次襯砌和仰拱的結構安全性進行驗算評估。

2.2 二次襯砌荷載計算方法

2.2.1 參數(shù)取值

2.2.1.1 圍巖參數(shù)

圍巖計算參數(shù)主要包括：重度、彈性抗力系數(shù)等參數(shù)，可根據表1[1]取值。

表1 圍巖物理力學參數(shù)表

2.2.1.2 襯砌結構混凝土參數(shù)

混凝土計算參數(shù)包括：混凝土強度、彈性模量、重度、泊松比。混凝土強度按設計值進行計算；混凝土彈性模量取值28 GPa，重度為23 kN∕m3，素混凝土泊松比為0.18。

2.2.2 荷載計算

荷載計算主要包括：淺埋和深埋隧道的判定、圍巖豎向荷載、圍巖水平荷載、二次襯砌承擔荷載比例等內容。

2.2.2.1 淺埋、深埋隧道的界定

淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結合地質條件、施工方法等因素綜合判定。按荷載等效高度的判定公式為：

式中：Hp為淺埋隧道分界深度，m；hq為荷載等效高度，m，hq=q∕γ[2]；q為深埋隧道圍巖垂直壓力，kN∕m2；γ為圍巖重度，kN∕m3。采用礦山法施工時，Ⅳ～Ⅵ級圍巖取Hp= 2.5hq，Ⅰ～Ⅲ級圍巖取Hp= 2hq。

該隧道為Ⅳ級圍巖隧道，深埋、淺埋隧道分界深度為15 m，病害區(qū)隧道埋深為86 m，為深埋隧道。

2.2.2.2 隧道圍巖豎向壓力計算

結合隧道具體病害情況，圍巖豎向荷載采用規(guī)范統(tǒng)計法和普氏理論計算。當隧道襯砌圍巖、隧底結構層、隧底圍巖無明顯富水現(xiàn)象時，采用規(guī)范統(tǒng)計法計算圍巖豎向荷載；當隧道襯砌圍巖、隧底結構層、隧底圍巖存在明顯富水現(xiàn)象時，采用普氏理論計算圍巖豎向荷載。

根據地質勘察結論，該隧道圍巖富水，因此采用普氏理論計算圍巖豎向荷載。豎向荷載計算公式為：

式中：q為深埋隧道圍巖垂直壓力，kN∕㎡；γ為圍巖重度，取值為23 kN∕m3；h為自然拱高度，h=b∕f，b為自然拱半寬，m，b=bt+Httan(45° -φ∕2)，bt為隧道凈跨之半，Ht為隧道凈高，φ為圍巖計算內摩擦角；f為巖石堅固系數(shù)，f=Rc∕10，Rc為圍巖單軸抗壓強度，MPa。

2.2.2.3 隧道圍巖水平荷載計算

對應普氏理論的圍巖水平荷載按式（3）計算：

各符號意義同前。

2.2.2.4 二次襯砌承擔荷載比例

計算出圍巖壓力荷載后，確定二次襯砌對荷載的承擔比例，可按表2[3]建議值取值。

表2 復合式襯砌的初期支護與二次襯砌承載比例 單位：%

2.3 數(shù)值計算

2.3.1 建立計算模型

根據實際檢測的結構參數(shù)建立隧道襯砌計算模型。襯砌結構設置為梁單元，定義襯砌材料、屬性等關鍵參數(shù)，將模型進行網格劃分，襯砌模型見圖2。

圖2 隧道襯砌模型

2.3.2 單元編號

襯砌結構模型共劃分為50 個單元，單元編號規(guī)則為：按逆時針方向左邊墻（50、1～3），左拱腳（4～10），仰拱（11～20），右拱腳（21～27），右邊墻（28～31），右拱腰（32～37），拱頂（38～43），左拱腰（44～49）。單元劃分及編號見圖3。

圖3 隧道襯砌單元編號

2.3.3 施加邊界條件及計算荷載

a）邊界條件 根據圍巖彈性抗力系數(shù)設置襯砌模型的邊界條件，用于模擬實際工況下圍巖對襯砌結構的彈性抗力作用。

b）計算荷載 對結構模型施加自重荷載、圍巖荷載（上部豎向荷載、下部豎向荷載、上部水平荷載、下部水平荷載）。邊界條件及計算荷載模型見圖4。

圖4 邊界條件及荷載計算模型

2.3.4 結構內力計算

運用有限元軟件對隧道襯砌模型進行數(shù)值計算，得到模型結構的彎矩、軸力等計算結果。隧道二次襯砌結構彎矩、軸力分布如圖5 和圖6所示。

圖5 隧道二次襯砌結構彎矩分布圖

圖6 隧道二次襯砌結構軸力分布圖

在圍巖壓力和其他外力的作用下，隧道襯砌邊墻、拱腰和拱頂位置的彎矩、剪力和軸力都比較大。

3 結構安全判定方法

3.1 襯砌結構安全系數(shù)計算

混凝土矩形截面軸心及偏心受壓構件的抗壓強度按式（4）計算：

式中：K為安全系數(shù)；N為襯砌結構軸向力，kN；ψ為縱向彎曲系數(shù)，隧道襯砌結構取值為1；α為軸向力偏心影響系數(shù)；Ra為混凝土極限抗壓強度，kPa；b為截面寬度，m，取值為1；h為截面厚度，m。

混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度按式（5）計算：

式中：R1為混凝土極限抗拉強度，kPa；e0為截面偏心距。

3.2 襯砌結構安全系數(shù)判定

根據規(guī)范規(guī)定，該計算中荷載組合采用永久荷載+基本可變荷載的組合模式。混凝土結構安全系數(shù)判定見表3[4]。

表3 混凝土結構各種荷載組合的強度安全系數(shù)

4 根據實際工況進行襯砌結構結果分析

4.1 襯砌類型

計算斷面為Ⅳ級圍巖，襯砌類型為Ⅳ級加強，支護參數(shù)詳見表4。

表4 襯砌支護原設計參數(shù)表

4.2 主要問題

根據隧道專項檢測結果，隧道襯砌存在的主要問題見表5。

表5 存在的主要問題

4.3 參數(shù)選取

實際工況下，隧道圍巖、襯砌的模擬計算參數(shù)取值見表6。

表6 圍巖、襯砌的模擬計算參數(shù)取值

4.4 荷載計算

根據實際工況下選取的計算參數(shù)，按照普氏理論計算得到施加在襯砌結構上的荷載，荷載類型及荷載計算結果詳見表7。

表7 荷載類型及荷載計算結果 單位：kN/m2

4.5 結果分析

4.5.1 內力計算結果

實際工況下，襯砌結構彎矩、軸力的分布情況見圖7，各單元彎矩、軸力計算值詳見表8。

4.5.2 安全系數(shù)計算結果

實際工況下，隧道襯砌結構安全系數(shù)計算結果詳見表9。

由表9 可知，實際工況下，隧道斷面共存在19 處單元結構的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。隧道結構強度安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的位置及其數(shù)值詳見表10、圖8。

圖8 隧道結構單元劃分及安全系數(shù)分布情況

4.5.3 安全系數(shù)結果分析

a）計算斷面襯砌結構安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的位置均為受拉控制。

b）襯砌結構安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的位置共有19 處，其中12 處安全系數(shù)值均介于[1,3.6]，表明該位置處結構安全儲備不足，存在一定的安全隱患，7 處安全系數(shù)值小于1，表明這些位置處結構受力已超過混凝土極限抗拉強度，混凝土結構可能受到破壞。

計算結果表明，隧道危險隱患點位置與現(xiàn)場實際病害位置基本一致，由此說明該評估方法可行。

5 結語

以破損階段理論為基礎，采用普氏理論進行隧道荷載計算，并借助有限元數(shù)值模擬軟件對隧道襯砌結構內力進行計算，結合混凝土結構強度安全系數(shù)法的綜合計算評估方法對煤系地層公路隧道缺陷狀態(tài)下的襯砌結構進行安全評估，計算結果與工程設計較吻合，可以滿足工程實際應用，是一種值得推廣和應用的隧道襯砌結構安全評估方法。