王春景，雷明鋒，彭立敏

(1.中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司，湖南 長沙 410004;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

賦存環(huán)境復(fù)雜、荷載特征不明、設(shè)計(jì)計(jì)算理論存在不足、管理不完善等因素導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)在建成運(yùn)營后的較短時(shí)間便出現(xiàn)各種程度不同的病害。而隧道病害的存在直接影響了隧道的使用性能，甚至造成行車安全等事故，使得其未達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期而急需維修，既浪費(fèi)了大量的社會資源，又造成了極壞的社會影響。因此，開展病害隧道結(jié)構(gòu)的安全性評價(jià)模型與方法研究，科學(xué)評價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，及時(shí)采取有效的整治措施，可以獲得巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，提高公眾的滿意度。

自上世紀(jì)60～70年代開始，國內(nèi)外廣大科技工作者便開始關(guān)注隧道結(jié)構(gòu)病害問題，并開展了相關(guān)研究。如鐘志雄［1－5］等根據(jù)某具體隧道的檢測、量測結(jié)果，建立有限元模型，計(jì)算分析了其結(jié)構(gòu)安全性并推薦了相應(yīng)的加固方案。王勇［6］利用工程斷裂判據(jù)，分析了帶裂縫襯砌截面的安全性。劉庭金等［7］分別建立了襯砌背后空洞的有限元計(jì)算模型，探討了襯砌背后空洞存在對襯砌結(jié)構(gòu)承載能力的影響規(guī)律。劉永華［8］利用荷載－結(jié)構(gòu)模型和實(shí)際隧道統(tǒng)計(jì)參數(shù)，詳細(xì)探討了襯砌拱頂存在空洞，襯砌厚度不足，裂縫時(shí)的結(jié)構(gòu)可靠性?？梢?，針對隧道病害時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性問題，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了較多有益探討，但多數(shù)研究成果對帶病害隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的力學(xué)機(jī)理、建模方法、評估程序缺乏詳細(xì)系統(tǒng)的說明，總體看來仍需要進(jìn)一步完善。

為此，筆者根據(jù)既有的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，基于荷載－結(jié)構(gòu)計(jì)算模式，建立了襯砌厚度不足、襯砌背后脫空及材料劣化3種病害結(jié)構(gòu)模型，并給出了工程實(shí)例，闡述了其具體應(yīng)用方法。

1 基于荷載－結(jié)構(gòu)法的隧道病害結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

1.1 襯砌厚度不足力學(xué)模型

襯砌厚度不足是隧道常見的病害，直接造成結(jié)構(gòu)承載能力降低，引起安全事故。力學(xué)計(jì)算中可簡單將模型中梁單元的厚度按照實(shí)際襯砌結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行計(jì)算，如圖1，圖中H和h分別為襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度和實(shí)際檢測厚度。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足模型Fig.1 Model of lining thickness deficiency

1.2 材料劣化力學(xué)模型

大量實(shí)踐和檢測結(jié)果表明，造成隧道結(jié)構(gòu)材料劣化的主要原因有:①隧道建設(shè)過程中，未按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行施工，施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，建成后隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量低劣，難以滿足設(shè)計(jì)要求;②隧道運(yùn)營過程中，受荷載、冰凍、腐蝕性地下水等不利因素的長期作用，導(dǎo)致混凝土材料性能劣化。上述兩方面因素的共同作用，不可避免地造成襯砌結(jié)構(gòu)承載能力下降，進(jìn)而惡化隧道的使用性能。而材料劣化對隧道結(jié)構(gòu)承載能力的影響又主要從以下兩方面考慮:一方面引起混凝土材料的強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體承載力不足;另一方面引起結(jié)構(gòu)剛度不足，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)變形過大，結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)發(fā)生變化，甚至產(chǎn)生不利荷載。

考慮到襯砌結(jié)構(gòu)在周圍環(huán)境侵蝕作用下，材料的損傷規(guī)律各異，難以建立統(tǒng)一的材料損傷演化規(guī)律，且本文目的在于研究材料劣化對結(jié)構(gòu)承載特征和結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響，為了簡便，可以利用簡單的強(qiáng)度弱化方法模擬混凝土劣化后的力學(xué)性質(zhì)。也就是，在實(shí)際的病害隧道結(jié)構(gòu)承載和安全性計(jì)算時(shí)，材料劣化病害計(jì)算模型的材料彈性模量E和抗拉強(qiáng)度σt、抗壓強(qiáng)度σc按照實(shí)際病害檢測結(jié)果選取即可。

1.3 襯砌背后空洞力學(xué)模型

施工過程中，控制爆破效果不理想，超欠挖嚴(yán)重，回填不實(shí)，運(yùn)營過程中地下水的長期沖刷等因素均造成襯砌背后不同程度地出現(xiàn)空洞?？斩吹拇嬖谑沟靡r砌結(jié)構(gòu)受力不均，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而過早地出現(xiàn)裂縫等病害，極大地惡化隧道的運(yùn)營環(huán)境和使用功能。

描述隧道襯砌背后空洞的特征參數(shù)主要包括空洞形狀、深度、寬度等，而對于結(jié)構(gòu)－荷載法，僅僅能模擬其二維特性，即襯砌空洞寬度對結(jié)構(gòu)受力的影響。同時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過僅受壓彈性鏈桿來模擬。據(jù)此，可建立空洞病害條件下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，即去掉空洞寬度范圍內(nèi)的圍巖壓力荷載和彈性鏈桿支撐，如圖2。

圖2 襯砌背后空洞計(jì)算圖式Fig.2 Calculation schema of cavity behind lining

2 襯砌結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算方法

目前，對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算，仍主要是依據(jù)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行［9］，即素混凝土截面強(qiáng)度驗(yàn)算公式。本文亦參照該方法進(jìn)行評估，具體方法不再贅述。

3 蕉溪嶺隧道結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)

3.1 模型的建立

根據(jù)蕉溪嶺隧道的檢測結(jié)果，取典型斷面K55+083襯砌圖為計(jì)算對象，該斷面存在襯砌厚度欠厚、材料劣化和拱頂局部范圍脫空3類病害，因此建模過程中，將前述建立的欠厚病害模型、材料劣化病害模型和襯砌背后脫空病害模型綜合考慮，其荷載－結(jié)構(gòu)法計(jì)算圖式如圖3(a)所示。各計(jì)算參數(shù)參照檢測結(jié)果和相關(guān)規(guī)范選取，見表1和表2。為便于比較，同時(shí)建立了原設(shè)計(jì)計(jì)算模式圖，如圖3(b)。

圖3 蕉溪嶺隧道結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算模式Fig.3 Structure safety caluculation mode of Jiaoxiling tunnel

荷載按深埋條件計(jì)算，參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)相關(guān)計(jì)算方法和公式，分別計(jì)算得到:

表1 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)取值Table 1 Physical and mechanical parameters

表2 幾何計(jì)算參數(shù)取值表Table 2 Geometric calculation parameters

3.2 結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)

通過前述模型的建立(節(jié)點(diǎn)編號見圖4)，基于有限元界面分別進(jìn)行了兩種模型的數(shù)值計(jì)算，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果分別見圖5～圖7。二次襯砌各截面的安全系數(shù)比較見圖8。

圖4 蕉溪嶺隧道結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算節(jié)點(diǎn)編號Fig.4 Node numbering of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

圖5 蕉溪嶺隧道結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算軸力圖Fig.5 Axial force diagram of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

圖6 蕉溪嶺隧道結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算彎矩圖Fig.6 Bending moment diagram of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

圖7 蕉溪嶺隧道結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算襯砌變形圖Fig.7 Deformation diagram of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

圖8 蕉溪嶺隧道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與病害結(jié)構(gòu)安全系數(shù)比較圖Fig.8 Safety factor comparison of desgin and disearse structure of Jiaoxiling tunnel

從上述計(jì)算結(jié)果分析可知:

(1)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)物理指標(biāo)均表現(xiàn)為對稱分布，其分布形式和大小均符合理論預(yù)期結(jié)果，而病害模型結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)物理指標(biāo)與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果存在較大差異，表現(xiàn)為典型的非對稱性，主要原因?yàn)楣绊敳课淮嬖诳斩?，使得襯砌結(jié)構(gòu)承受的荷載大小以及圍巖抗力均不對稱?？梢姡淼澜Y(jié)構(gòu)病害的存在，使得襯砌結(jié)構(gòu)整體剛度和變形分布不對稱，從而引起兩側(cè)“彈簧”彈性抗力分布不對稱，并引起襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和軸力分布不對稱。

(2)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，可評定是安全的;而病害結(jié)構(gòu)僅在兩側(cè)拱腳部位其安全系數(shù)能滿足要求，70%左右的截面安全系數(shù)已經(jīng)小于規(guī)范允許值，因此結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其承載能力嚴(yán)重不足，極易發(fā)生破壞，故需要立即維修加固。

4 結(jié)論

(1)隧道結(jié)構(gòu)病害的存在，改變了襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度和整個結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，引起襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和軸力不對稱分布，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)受力和變形趨于不利狀態(tài)。

(2)通過對蕉溪嶺隧道實(shí)際檢測斷面的建模分析，其70%左右的截面安全系數(shù)均小于規(guī)范允許值，故可評定蕉溪嶺隧道承載能力嚴(yán)重不足，故需要立即加固維修。

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