彭萬平，張春光

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安710054）

云桂鐵路石林隧道二次襯砌背后脫空受力分析及預(yù)防措施

彭萬平，張春光

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安710054）

襯砌背后脫空是隧道質(zhì)量通病之一。為了掌握二次襯砌各部位脫空對結(jié)構(gòu)受力的影響，采用有限元計(jì)算方法對云桂鐵路石林隧道二次襯砌拱頂、拱腰、邊墻3個(gè)部位分別脫空1，2，4 m進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明:邊墻脫空比拱部脫空對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響更大，對預(yù)防邊墻脫空的重視程度需要加強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了預(yù)防脫空的措施。

鐵路；隧道；脫空；預(yù)防

1　工程概況

云桂鐵路石林隧道設(shè)計(jì)為雙線鐵路隧道，凈寬13.22 m，凈高9.2 m。隧道Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖二次襯砌按承受圍巖松弛荷載的30%設(shè)計(jì)，拱墻二次襯砌設(shè)計(jì)為C30素混凝土；Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌按承受圍巖松弛荷載的50%設(shè)計(jì)，拱墻二次襯砌設(shè)計(jì)為C35鋼筋混凝土。全隧穿越碳酸鹽巖地層，碳酸鹽巖脆硬，溶蝕裂隙發(fā)育，開挖輪廓不易控制，二次襯砌背后易產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。

2　二次襯砌背后脫空對結(jié)構(gòu)的影響

為了掌握二次襯砌各部位脫空對結(jié)構(gòu)受力的影響，采用有限元計(jì)算方法對二次襯砌拱頂、拱腰、邊墻3個(gè)部位無脫空及分別脫空1，2，4 m進(jìn)行計(jì)算，共分為4種類型10種工況。

2.1數(shù)值計(jì)算模型的建立及參數(shù)取值

由于隧道背后脫空現(xiàn)象多發(fā)生于巖層條件較好的硬質(zhì)巖中，因此對隧道Ⅲ級(jí)圍巖采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行平面應(yīng)變分析。

計(jì)算模型橫向?qū)挾?80 m，縱向高度150 m，直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于仰拱中心。圍巖材料均服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，以四邊形為單元進(jìn)行離散，地層—隧道斷面網(wǎng)格劃分示意如圖1。隧道二次襯砌采用彈性梁單元模擬，左側(cè)邊墻腳處單元為1#，順時(shí)針編號(hào)，二次襯砌共劃分92個(gè)單元，見圖2。

圖1　地層—隧道斷面網(wǎng)格劃分示意

圖2　二次襯砌梁單元示意

坐標(biāo)系中，X軸平行于隧道橫斷面和水平面，Y軸垂直向上。靜力分析中，兩側(cè)邊界取X方向固定，Y方向自由；底部邊界取Y方向固定，X方向自由；在2個(gè)角點(diǎn)上X，Y方向均固定。計(jì)算模型共離散為2 740個(gè)單元，2 850個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算模型各參數(shù)取值見表1。

表1　數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)取值

2.2數(shù)值模擬工況

數(shù)值模擬共分為10種工況（見表2），其中1種無脫空工況，9種脫空工況。為模擬9種脫空工況，從隧道二次襯砌拱頂至邊墻沿外輪廓每1.0 m劃分一個(gè)脫空單元，脫空高度0.5 m，共劃分16個(gè)脫空單元。其中，單元1～4為拱頂單元，單元9～12為拱腰單元，單元13～16為邊墻單元，見圖3。

表2　數(shù)值模擬工況

圖3　16個(gè)脫空單元示意

2.3計(jì)算結(jié)果

10種工況的二次襯砌梁單元節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖4。

由圖4可見：①邊墻脫空在各工況中影響范圍最大，影響范圍達(dá)到拱頂中部及仰拱中部。②無論脫空位置出現(xiàn)于二次襯砌何處，在脫空0～4 m范圍內(nèi)，脫空4 m時(shí)對二次襯砌結(jié)構(gòu)的影響最大。③邊墻脫空對二次襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響最大，拱腰脫空次之，拱頂脫空影響相對最小。拱頂脫空4 m時(shí)，二次襯砌34號(hào)梁單元節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)為13.006，相對于無脫空時(shí)該節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)45.871降低71.6%；拱腰脫空4 m時(shí)，二次襯砌46號(hào)梁單元節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)為2.685，相對于無脫空時(shí)該節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)19.629降低86.3%；邊墻脫空4 m時(shí)，二次襯砌55號(hào)梁單元節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)為1.889，相對于無脫空時(shí)該節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)15.457降低87.8%。

圖4　不同脫空工況下二次襯砌梁單元節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)

可見，隧道襯砌無論是拱部脫空、拱腰脫空，還是邊墻脫空，均極大地改變了隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài)，對襯砌結(jié)構(gòu)的安全影響極大。襯砌結(jié)構(gòu)可能因背后脫空造成混凝土結(jié)構(gòu)受拉開裂，導(dǎo)致滲漏水和鋼筋腐蝕，失去應(yīng)有的承載能力。襯砌背后脫空后無法保證結(jié)構(gòu)的長期安全運(yùn)營，因此必須加以預(yù)防和處理。

3　襯砌背后脫空預(yù)防措施

預(yù)防二次襯砌脫空需從隧道開挖、初期支護(hù)、防水板鋪設(shè)、混凝土澆筑、工裝設(shè)備改進(jìn)等各施工環(huán)節(jié)加以控制。具體措施如下：①將周邊眼間距控制在50 cm以內(nèi)，鉆孔時(shí)嚴(yán)格控制周邊眼外插角，控制開挖成型效果，為初期支護(hù)表面平整提供基礎(chǔ)條件。②重視初期支護(hù)作業(yè)細(xì)節(jié)，保證初期支護(hù)平整度達(dá)標(biāo)，為防水板鋪設(shè)提供良好基面。③規(guī)范防水板鋪設(shè)工藝，避免防水板緊繃或冗余造成局部脫空。防水板拱部固定點(diǎn)間距控制在0.8 m以內(nèi)，邊墻固定點(diǎn)間距控制在1.0 m以內(nèi)，梅花形布置。防水板采用焊接固定，控制松弛度。④混凝土澆筑過程中，在灌注窗口采用絲杠對防水板進(jìn)行固定，減少混凝土對防水板的拖拽，盡量避免入?；炷林苯記_擊防水板。⑤混凝土澆筑過程中采用插入式振搗器配合附著式振搗器搗固，保證振搗效果。⑥在拱頂中部順線路方向緊貼防水板預(yù)埋2根PVC花管，用于注漿和排氣。⑦進(jìn)一步研究、完善現(xiàn)有隧道二次襯砌的施工工藝，改進(jìn)工裝設(shè)備；在臺(tái)車面板部位布設(shè)壓力測定裝置，用定量數(shù)據(jù)來確?；炷凉嘧⒌拿軐?shí)度，從施工工藝上杜絕二次襯砌脫空現(xiàn)象。

4　結(jié)語

1）襯砌結(jié)構(gòu)可能因背后脫空造成混凝土結(jié)構(gòu)受拉開裂，導(dǎo)致滲漏水和鋼筋腐蝕，失去應(yīng)有的承載能力，因此二次襯砌背后脫空現(xiàn)象必須加以預(yù)防和處理。

2）一般情況下，施工技術(shù)人員認(rèn)為拱頂脫空對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響最大，施工中比較重視對拱頂脫空的預(yù)防。但根據(jù)本文的計(jì)算分析，邊墻脫空比拱頂脫空對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響更大，對預(yù)防邊墻脫空的重視程度需要加強(qiáng)。

3）本分析采用的計(jì)算模型為二維模型，尚未考慮隧道縱向的影響。

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［4］劉永華.二次襯砌結(jié)構(gòu)拱頂存在空洞或裂縫的數(shù)值模擬［J］.公路隧道，2006（3）：11-13.

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［8］佘健，何川，汪波，等.襯砌背后空洞對隧道結(jié)構(gòu)承載力影響的模型試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2008，25（1）：104-110.

（責(zé)任審編葛全紅）

Mechanical Analysis and Preventive Measures Concerning Voids Behind Secondary Lining in Shilin Tunnel on Kunming－Nanning Railway

PENG Wanping，ZHANG Chunguang
（China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710054，China）

Void behind the lining is among common engineering diseases.T o understand howvoids behind secondary lining affect structural behavior，a finite element analysis was carried out at positions of vault，haunch and sidewall of the Shilin T unnel on Kunming-Nanning railway.T he depths of the voids at the section are 1 m，2 m and 4 m，respectively.T he results reveal that void at the sidewall causes more significant influence than the void at vault，requiring more attention.T he correspondingpreventive measures were presentedbasedonthe engineering experience.

Railway；T unnel；Void；Precaution

U457+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.19

1003-1995（2016）10-0072-03

2016-04-06；

2016-07-20

彭萬平（1976—），男，高級(jí)工程師。