孫露（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

有壓隧洞頂拱襯砌留有孔隙的結(jié)構性研究

孫露
（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

隧洞襯砌施工，受其結(jié)構特殊性影響，頂拱難以澆筑密實，常與頂部巖體留有孔隙，具有這種質(zhì)量缺陷的襯砌問題，常給運行帶來較大隱患。文中結(jié)合某圓形有壓隧洞頂拱襯砌厚度檢測數(shù)據(jù)，研究了其質(zhì)量缺欠的特性，通過FLAC計算：頂拱襯砌留有孔隙，對洞室安全運行具有較大影響，通過回填灌漿，可以顯著減小頂拱部位最大剪應力，降低危害程度。

隧洞襯砌；質(zhì)量缺陷；回填灌漿；工程質(zhì)量

1　引言

頂拱澆筑的特點是只能一次連續(xù)進料、入倉進料口少、澆筑層次不易分清［1-3］。灌入量的多少通過經(jīng)驗判斷，常通過進料口數(shù)量、下一個進料口的變化以及預埋排氣管路，判斷倉內(nèi)澆筑面積與厚度，具有較大的不確定性。頂拱襯砌混凝土澆筑工藝不易控制，常用退管法，澆筑后期壓力調(diào)制低速擋，時刻注視壓力變化，防止混凝土灌滿后仍灌注導致模板變形，同時又需注意未灌滿留有孔隙。實踐表明，頂拱襯砌厚度不足是隧洞工程施工的通病，不易控制是難點，后期運行由于頂拱厚度不足，回填灌漿不飽滿，遇巖體裂隙水豐富地帶結(jié)合內(nèi)外水壓差，導致剪應力增大，易破壞頂拱襯砌結(jié)構，常發(fā)生工程質(zhì)量事故。

2　計算的依據(jù)

結(jié)合某隧洞工程襯砌后的檢測，進口段300 m已完襯砌段，頂拱厚度不足，設計要求50 cm，實檢頂拱最大襯砌厚度46.5 cm、最小26 cm，平均厚度不足40 cm。計算邊界條件，模擬隧洞頂拱襯砌厚度不足、周圍巖體力學特征、環(huán)向施工縫。

3　模型應用與計算內(nèi)容

3.1模型應用

1）為掌握最不利斷面的承載能力，選擇最薄厚度26 cm所在樁號C0+196為研究斷面。在一定洞段范圍內(nèi)，襯砌結(jié)構共同承擔荷載作用力，承載力距研究斷面由遠漸小，根據(jù)彈塑性理論原理，洞段長度選取孔隙的2×3倍，測量孔隙寬度約1.85 m，則計算洞段長為11.1 m?？紫逗穸炔煌瑢ν夂奢d承載能力也不盡相同，加權計算可采用的頂拱襯砌厚度值為31.8 cm。

2）回填灌漿可最大限度充填頂拱孔隙，但仍存在兩個技術難題，一是新老混凝土膠結(jié)形成的薄弱帶，二是灌入漿液在凝固及強度提高過程中產(chǎn)生的收縮，造成新老混凝土不易成為整體共同承受荷載。為準確掌握頂拱受力狀態(tài)，按兩種情況進行計算，一是偏保守，即不考慮回填灌漿，二是考慮回填灌漿，同時考慮薄弱帶與混凝土收縮。顯然，第二種更接近于實際。

3.2計算研究內(nèi)容

頂拱結(jié)構應力-應變狀態(tài)變化；腰拱附近襯砌結(jié)構應力-應變狀態(tài)；襯砌結(jié)構周圍巖體應力變化。

4　基礎參數(shù)

1）巖體力學參數(shù)，詳情見表1。

表1　巖體力學參數(shù)情況統(tǒng)計表

2）襯砌混凝土力學參數(shù)，詳情見表2。

表2　襯砌混凝土力學參數(shù)情況統(tǒng)計表

3）荷載邊界條件。地應力：覆蓋層厚度為41 m；測壓系數(shù)重力加速度作用下生成地應力場；襯砌混凝土和滿水自重；內(nèi)水壓1.6 MPa，外水壓0.05 MPa。

5　研究方法

為研究襯砌后應力場、應變場變化情況，選用巖土工程常用的數(shù)值分析軟件FLAC來進行應力-應變分析，對隧洞周圍巖體及襯砌后結(jié)構體采用摩爾-庫倫模型計算，共劃分為約1 600個單元，網(wǎng)絡劃分圖詳情見圖1，2所示。

圖1不進行回填灌漿的單元劃分

圖2進行回填灌漿的單元劃分

隧洞工程改變了原地應力場平衡，爆破開挖、初支及襯砌完成后地應力場重新生成。計算分兩步走，一步重點計算巖體未開挖前受自重影響初始地應力場狀態(tài)；二步重點研究在一步基礎上，隧洞受開挖與襯砌影響后，重新生成應力場與應變場問題。

6　計算結(jié)果分析

6.1不進行回填灌漿

不回填灌漿，通過FLAC模型分析，無論是周圍巖體還是襯砌結(jié)構，其最小主應力均為壓應力（+），且隧洞周邊最小主應力值均較小（小于0.25 MPa），其中頂拱襯砌部分由于有孔隙，內(nèi)外均為臨空自由面，最小主應力值為最小，其值僅為0.058 MPa。最大主應力在兩側(cè)腰拱及以下部位也均為壓應力（+），受澆筑混凝土施工縫卸壓作用，最大主應力值也較小（1.257 MPa），然而在頂拱部位最大主應力值較大（2.95 MPa），推算頂拱部位最大剪應力值（1.42 MPa）較大，運行隱患較大。左右兩側(cè)向拱內(nèi)方向位移約為1.3 mm，頂拱部位下沉量約為2.39 mm，仰拱向上位移量約為3.53 mm。

6.2進行回填灌漿

采用回填灌漿，通過FLAC模型分析，周圍巖體和襯砌結(jié)構的最小主應力仍為壓應力（+），頂拱部位最小主應力值（0.19 MPa）、最大主應力值（2.21 MPa），推算最大剪應力值為0.86 MPa，回填灌漿后，最大剪應力值明顯降低。左右兩側(cè)向拱內(nèi)方向位移約為1.1 mm，頂拱部位下沉量約為2.8 mm，仰拱向上位移量約為3.32 mm。

6.3 FLAC結(jié)果對比分析

結(jié)果表明，頂拱澆筑完成后是否進行回填灌漿，對周圍巖體與襯砌結(jié)構的最大（?。┲鲬?、剪應力有不同程度影響，進行回填灌漿后聯(lián)合受力結(jié)構所承受剪應力明顯變小，分述如下：

1）是否進行回填灌漿，襯砌結(jié)構的最大（?。┲鲬鶠閴簯Γ?），結(jié)合混凝土耐壓特點，最大（小）主應力均利于自身結(jié)構承擔荷載作用。

2）兩種方案壓應力均較小，相比較而言，考慮回填灌漿的壓應力值相對較大，但頂拱部位的最大主應力值除外。

3）是否進行回填灌漿，頂拱襯砌結(jié)構均存在剪應力的不利影響，不進行回填灌漿，其值為1.42 MPa，進行回填灌漿，其值為0.86 MPa，后者比前者剪應力值降低了39.4%，回填灌漿效果明顯。

4）是否進行襯砌后的回填灌漿，頂拱與仰拱位移值均變化不大，在可控范圍內(nèi)，進行回填灌漿后，受自重、壓力等方面影響，頂拱下沉位移值略增加。

6.4 FLAC結(jié)果特征

應用FLAC軟件計算分析兩種方案，詳情見表3。

表3 FLAC計算結(jié)果特征值統(tǒng)計表

7　結(jié)論

工程實踐表明，隧洞工程進行回填灌漿是必要的，也是必須進行的一道工序。通過FLAC軟件建模，對比分析了是否進行回填灌漿對襯砌結(jié)構及周圍巖體的應力-應變帶來的影響，通過有效的回填灌漿，可顯著降低頂拱襯砌結(jié)構的最大剪應力（降低39.4%），最大程度的避免混凝土薄弱特性拉應力，為工程長期安全運行提供保障。

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