王興波，馬　龍，李明峰，楊　超

(1.中鐵七局集團(tuán)有限公司， 鄭州　450016； 2.中鐵九局重慶分公司， 重慶　401121)

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隧道襯砌施工缺陷對結(jié)構(gòu)安全的影響研究

王興波1，馬龍2，李明峰2，楊超2

(1.中鐵七局集團(tuán)有限公司， 鄭州450016； 2.中鐵九局重慶分公司， 重慶401121)

摘要：運用理論分析和數(shù)值模擬等研究手段，基于地層-結(jié)構(gòu)法原理，就襯砌厚度不足、襯砌背后空洞和襯砌結(jié)構(gòu)裂縫3種病害對襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響進(jìn)行研究，得出缺陷在襯砌結(jié)構(gòu)不同位置處以及沿隧道縱向不同長度上襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和安全系數(shù)的變化規(guī)律，為隧道結(jié)構(gòu)的安全性評價和后期的運營監(jiān)測提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道；厚度不足；空洞；裂縫；安全系數(shù)

隧道施工過程中，由于受施工工藝和各種條件限制，經(jīng)常存在2次襯砌開裂、厚度不足、背后空洞和強(qiáng)度不足等施工缺陷，為后期隧道營運埋下隱患。目前，國內(nèi)外已經(jīng)擁有了先進(jìn)的隧道缺陷檢查技術(shù)，且一些學(xué)者已經(jīng)運用各種軟件和現(xiàn)代化技術(shù)來模擬分析隧道缺陷對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的影響，取得了較多成果[1-2]。另外，一些學(xué)者也已通過室內(nèi)模型試驗對隧道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了研究[3-11]，分析了隧道裂縫發(fā)展規(guī)律、襯砌背后空洞和襯砌厚度不足對結(jié)構(gòu)承載力的影響規(guī)律[12-14]。

本文基于新建柳梢溝隧道施工質(zhì)量檢測結(jié)果，運用有限元軟件建立隧道施工缺陷的計算模型，對缺陷的表觀特征、力學(xué)性質(zhì)及其對襯砌結(jié)構(gòu)的影響等因素進(jìn)行綜合分析，得出施工缺陷對新建隧道的安全性影響結(jié)果。

1工程概況

柳梢溝隧道為左右線分離式隧道，左線長3 810.8 m，右線長3 847.9 m。隧址區(qū)出露的地層主要為第4系全新統(tǒng)地層殘坡積、沖洪積層(Q4el+dl)、第4系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)和三疊系(T1-2)泥砂質(zhì)板巖，地下水主要以大氣降水補(bǔ)給為主。

根據(jù)交工檢測結(jié)果，該隧道左右線2次襯砌厚度合格率為72%，部分路段伴隨有空洞和裂縫等施工缺陷，尤其是在隧道塌方段和隧道偏壓地段，存在環(huán)形裂縫和貫通式斜向裂縫，嚴(yán)重影響隧道的運營安全。

2隧道施工襯砌缺陷結(jié)構(gòu)物理模型

2.1襯砌厚度不足物理力學(xué)模型

通過ANSYS有限元軟件建立襯砌厚度不足力學(xué)模型，如圖1所示。圖1中，模型中實體單元的厚度按照實際襯砌結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行計算，H和h分別代表襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計厚度和檢測不足厚度。襯砌厚度不足力學(xué)模型中，其計算可簡化。對襯砌厚度不足模型進(jìn)行計算分析時，對于缺陷部位是以圍巖介質(zhì)填充，且對該部分附以圍巖介質(zhì)參數(shù)。

圖1　襯砌厚度不足力學(xué)模型

2.2襯砌背后空洞物理力學(xué)模型

根據(jù)實際施工和檢測結(jié)果，隧道襯砌背后空洞對隧道結(jié)構(gòu)影響較大部位是以拱頂為中心的300 mm范圍，空洞一般深度相對較小，長度和寬度相對較大。另外，根據(jù)實際情況和驗算的對比，隧道襯砌背后的空洞形狀對計算結(jié)果的影響誤差不超過2%。因此，考慮到實際空洞表現(xiàn)情況和建模的復(fù)雜性，本文假設(shè)環(huán)向分布相同的空洞，在此基礎(chǔ)上主要對空洞分布位置和沿隧道縱向分布狀況進(jìn)行統(tǒng)計，就空洞對結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律進(jìn)行研究。本文建立了隧道空洞力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2　襯砌背后空洞力學(xué)模型

3計算模型本構(gòu)關(guān)系和邊界確定

本文計算采用地層-結(jié)構(gòu)法，巖土體本構(gòu)模型選用Drucker-Prager準(zhǔn)則， 圍巖、初期支護(hù)與襯砌之間的荷載傳遞采用接觸單元進(jìn)行處理。計算時，對圍巖采用實體單元，其物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘測結(jié)果與原位試驗確定。錨桿加固區(qū)巖體的彈性模量值分別提高5%～20%，錨桿作用可通過適當(dāng)提高加固區(qū)的材料特性參數(shù)值模擬。鋼拱架和鋼格柵采用等效剛度原則模擬，且通過增加襯砌的厚度來實現(xiàn)。材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　材料物理力學(xué)參數(shù)

模型尺寸取值為：橫向隧道左右各取50 m(4～5倍隧道跨度)，下邊界豎直向下取50 m，豎直向上取50 m，埋深足夠大；左右邊界施加水平方向的約束，下邊界施加豎直方向約束，上邊界為自由邊界。模型單元總數(shù)為53 760個，節(jié)點單元總數(shù)為56 088個。整體網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3　整體網(wǎng)格劃分模型

4計算結(jié)果分析

4.1隧道襯砌厚度不足數(shù)值分析

根據(jù)柳梢溝隧道的襯砌檢測結(jié)果，在建立模型進(jìn)行數(shù)值分析時，簡化了襯砌厚度在徑向的變化，固定了病害的深度值，在此基礎(chǔ)上研究沿隧道軸線方向的長度和沿隧道環(huán)向位置的病害對結(jié)構(gòu)安全性影響的一般性規(guī)律。考慮隧道三維受力狀態(tài)，本文將研究拱頂、拱腰和拱腳等位置襯砌厚度不足的情況。由實測結(jié)果可知，襯砌缺陷深度為1～15 cm，故本文進(jìn)行缺陷深度分析時取深度的最大值15 cm，計算此時襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。隧道襯砌厚度不足結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4　襯砌厚度不足結(jié)構(gòu)模型

4.1.1拱頂襯砌厚度不足時沿隧道軸線不同長度方向的受力

隧道開挖并施作了襯砌結(jié)構(gòu)后，當(dāng)拱頂襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)厚度不足的缺陷時，拱頂壓應(yīng)力為2.28MPa，相比較無缺陷時的1.27 MPa發(fā)生了明顯變化。襯砌無缺陷狀況的第一和第三主應(yīng)力云圖如圖5所示。拱頂厚度不足時，缺陷部位的壓應(yīng)力由1.33 MPa增至2.3 MPa，缺陷長度增至40 m時，缺陷區(qū)的壓應(yīng)力為2.5 MPa，如圖6所示。由圖6可以看出，缺陷出現(xiàn)時襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力發(fā)生了顯著變化，但隨著缺陷長度增加，缺陷部位的應(yīng)力變化不大；非病害區(qū)或遠(yuǎn)離病害區(qū)的結(jié)構(gòu)受力幾乎沒有發(fā)生變化；沿隧道軸線方向襯砌厚度發(fā)生突變的地方，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力由1.33 MPa突變?yōu)?.12 MPa，其對結(jié)構(gòu)影響較大；同時病害長度對襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響有一定范圍限制。

圖5　襯砌無缺陷狀況第一和第三主應(yīng)力云圖

圖6　拱頂襯砌厚度不足區(qū)域長40 m時襯砌第一和第三主應(yīng)力云圖

4.1.2右拱腰襯砌厚度不足時沿隧道軸線不同長度方向的受力

隧道施作襯砌結(jié)構(gòu)后，襯砌受力將發(fā)生改變。右拱腰襯砌厚度不足缺陷長度增至50 m時的主應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可以看出，拱腰縱向應(yīng)力受影響的范圍大于缺陷長度，缺陷截面上邊墻所承受的應(yīng)力最終從-3.44 MPa減至-2.59 MPa，缺陷位置處最大應(yīng)力由原來0.77 MPa拉應(yīng)力增至0.91 MPa壓應(yīng)力；第三主應(yīng)力缺陷位置處的壓應(yīng)力從5.8 MPa增至8.2 MPa，拱頂應(yīng)力由1.3 MPa增至2.4 MPa；邊墻處的應(yīng)力沒有發(fā)生變化；隨著缺陷長度增加，缺陷部位處的應(yīng)力變化不大；缺陷長度對襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響較小，可以忽略。

4.1.3襯砌厚度不足對安全系數(shù)的影響規(guī)律

基于襯砌厚度不足時的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，得出襯砌厚度不足對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響，如圖 8～10所示。

由圖8、圖9可以看出，當(dāng)拱頂存在厚度不足病害時，拱頂襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)隨著缺陷長度的增加降低了17.9%，變化較大，拱腰的安全系數(shù)變化了約1.5%，沒有發(fā)生明顯變化；右拱腰出現(xiàn)襯砌厚度不足病害時，隨著缺陷長度的增加，拱頂安全系數(shù)增加了3.6%，左拱腰的安全系數(shù)不變，右拱腰的安全系數(shù)降低了26.7%，變化較大，這是因為右拱腰處的厚度不均勻?qū)е聭?yīng)力重分布，使得該處的應(yīng)力增大。從圖10可以看出，當(dāng)缺陷長度同等、分布位置不同時，缺陷存在位置的安全系數(shù)要小于其沒有缺陷時的安全系數(shù)，沒有缺陷位置處的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)也不一樣；同一缺陷隨著缺陷長度的增加，安全系數(shù)變化不大，隨著缺陷位置的改變，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)有所變化；缺陷的產(chǎn)生對縱向方向正常段的影響范圍在15 m內(nèi)。

圖7　右拱腰襯砌厚度不足區(qū)域長50 m時襯砌第一和第三主應(yīng)力云圖

圖8　拱頂襯砌厚度不足時截面安全系數(shù)分布

圖9　右拱腰襯砌厚度不足時截面安全系數(shù)分布

圖10　襯砌環(huán)向不同位置處缺陷對縱向

4.2襯砌背后空洞數(shù)值分析

4.2.1襯砌拱頂后存在空洞時沿隧道軸線不同長度方向的受力

隧道襯砌施作完成后，當(dāng)拱頂襯砌結(jié)構(gòu)背后出現(xiàn)空洞缺陷時，拱頂受到的壓應(yīng)力為1.27 MPa，相比無缺陷時0.87 MPa發(fā)生了較大變化。沿隧道軸線襯砌拱頂存在不同長度空洞時襯砌結(jié)構(gòu)第一和第三主應(yīng)力云圖如圖11所示。從圖11可以看出，拱頂空洞部位的襯砌結(jié)構(gòu)由于失去圍巖的反作用力而承受了較大拉應(yīng)力；拱腰處的拉應(yīng)力隨著拱頂襯砌背后空洞的出現(xiàn)，由1.02 MPa減至0.97 MPa，在缺陷作用范圍內(nèi)拱腰處的拉應(yīng)力由0.97 MPa減至0.92 MPa，邊墻處的最大拉應(yīng)力沒有發(fā)生變化。從圖11還可以看出，隨著拱頂襯砌缺陷的出現(xiàn)，拱頂空洞處的壓應(yīng)力由1.27 MPa減至0.87 MPa，拱腰和邊墻處的壓應(yīng)力增大。隨著空洞病害長度增大，邊墻處的壓應(yīng)力隨著長度的增加而增大，當(dāng)空洞長度小于2.5 m時，襯砌結(jié)構(gòu)各斷面的應(yīng)力沒有發(fā)生明顯變化；當(dāng)空洞長度大于10 m小于25 m時，拱腰和邊墻處的應(yīng)力發(fā)生了明顯變化；當(dāng)空洞長度大于40 m時，邊墻處的壓應(yīng)力不再發(fā)生明顯的變化。同時，在空洞出現(xiàn)范圍內(nèi)，邊墻處的應(yīng)力沒有發(fā)生明顯變化；空洞范圍外，應(yīng)力發(fā)生了變化，且隨著空洞長度的擴(kuò)大，邊墻處應(yīng)力減小了0.01 MPa。

4.2.2襯砌右拱腰后存在空洞時沿隧道軸線不同長度方向的受力

隧道襯砌施作完成后，當(dāng)右拱腰襯砌結(jié)構(gòu)背后出現(xiàn)空洞缺陷時，拱腰受力相比較無缺陷時發(fā)生了較大變化。沿隧道軸線襯砌右拱腰存在不同長度空洞時襯砌結(jié)構(gòu)第一和第三主應(yīng)力云圖如圖12所示。從圖12(a)和(c)可以看出，拱腰出現(xiàn)空洞缺陷時，拱腰空洞部位的襯砌結(jié)構(gòu)由于失去圍巖的反作用力，承受的拉應(yīng)力由0.97 MPa逐漸增至1.12 MPa，拱頂和邊墻處的第一主應(yīng)力沒有發(fā)生明顯變化；隨著空洞長度的增加，拱頂和邊墻的應(yīng)力受到影響，但變化不大。從圖12(b)和(d)可以看出，隨著拱腰襯砌空洞的出現(xiàn)，拱腰空洞處襯砌結(jié)構(gòu)的第三主應(yīng)力增大了0.1 MPa，變化不大；當(dāng)空洞長度大于10 m時，隨著空洞長度的增加，拱頂處的壓應(yīng)力變化越來越明顯，且不斷增大；邊墻處的壓應(yīng)力增大，但變化不太明顯。

圖11　沿隧道軸線襯砌拱頂存在不同長度空洞時襯砌結(jié)構(gòu)第一和第三主應(yīng)力云圖

圖12　沿隧道軸線襯砌右拱腰存在不同長度空洞時襯砌結(jié)構(gòu)第一和第三主應(yīng)力云圖

4.2.3襯砌后存在空洞對安全系數(shù)的影響規(guī)律

對襯砌背后存在空洞時的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了分析，得到拱頂、拱腰的安全系數(shù)，如圖13～15所示。

對襯砌背后無空洞和拱頂背后存在不同長度空洞時的安全系數(shù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，當(dāng)拱頂襯砌背后存在空洞時，拱頂襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較無缺陷時的安全系數(shù)降低了10.8%，且隨著空洞長度增加，拱頂部位的安全系數(shù)相應(yīng)減小，但變化較為緩慢；拱腰部位在拱頂出現(xiàn)空洞缺陷時襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)增加了5%，且隨著空洞長度的增加而增加，其值趨于3.9。當(dāng)右拱腰襯砌背后出現(xiàn)空洞病害時，襯砌結(jié)構(gòu)右拱腰處的安全系數(shù)隨著空洞的出現(xiàn)下降了7%，明顯降低，拱頂安全性降低了4.7%，左拱腰的安全性提高了1.6%；隨著空洞長度的增加，右拱腰的安全系數(shù)變化最為顯著，拱頂、左拱腰次之，空洞長度大于10 m后，襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)變化緩慢。隨著空洞長度的增加，結(jié)構(gòu)整體安全性沒有發(fā)生顯著變化?？斩撮L度相同、分布位置不同時，空洞存在位置的安全系數(shù)要小于沒有空洞時的安全系數(shù)。這是由于空洞的出現(xiàn)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失去了圍巖的反作用力，且承受的拉應(yīng)力逐漸增大，空洞周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；同一空洞隨著長度的增加，安全系數(shù)變化不大，且隨著空洞位置的改變，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)變化較大。

圖13　拱頂襯砌背后存在空洞時截面安全系數(shù)分布

圖14　右拱腰襯砌背后存在空洞時截面安全系數(shù)分布

圖15　隧道環(huán)向不同位置縱向長度上的安全系數(shù)分布

5結(jié)論

本文通過物理力學(xué)建模并采用三維有限元軟件分析了不同位置和不同長度下空洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，并得出以下結(jié)論。

1) 襯砌結(jié)構(gòu)存在空洞時，空洞范圍內(nèi)及其附近的受力狀況會受到影響，導(dǎo)致空洞范圍內(nèi)的部分單元和緊鄰空洞襯砌單元的安全系數(shù)發(fā)生明顯變化，但距空洞較遠(yuǎn)或沒有施工缺陷一側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)基本不受影響。

2) 襯砌厚度不足會導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)剛度降低，剛度發(fā)生突變處的應(yīng)力變化較為明顯。襯砌背后空洞致使結(jié)構(gòu)在空洞周圍的應(yīng)力產(chǎn)生集中，結(jié)構(gòu)受力變化較為突出。

3) 存在空洞時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)表現(xiàn)為：在空洞缺陷作用下，襯砌結(jié)構(gòu)沿隧道縱向在拱頂和拱腰處表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，在空洞缺陷突變位置結(jié)構(gòu)的安全性變化最大，非空洞缺陷區(qū)結(jié)構(gòu)沿隧道縱向的安全性影響范圍在15 m范圍內(nèi)。隨著空洞長度的增加，安全系數(shù)變化速率逐漸減小。

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Research on Influences of Construction Defects of Tunnel Lining on Structure Safety

WANG Xingbo1, MA Long2, LI Mingfeng2, YANG Chao2

Abstract:This paper studies influences of 3 diseases, i.e. insufficient lining thickness, cavity on lining back and cracks on lining structure on safety of lining structure by means of research means such as theoretical analysis and numerical simulation, etc. and based on the principle of stratum-structure method, and obtains the change rules of stress and safety factor of lining structure when the defects exist at different positions of lining structure and on different lengths in longitudinal direction along the tunnel to provide a basis for safety evaluation of tunnel structure and later operation monitoring.

Keywords:tunnel; insufficient thickness; cavity; crack; safety factor

文章編號：1009-6477(2016)02-0102-06

中圖分類號：U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王興波(1970-)，男，安徽省合肥市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-09-15

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.023