趙文斌

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家高速公路網(wǎng)的不斷完善及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷實施，我國高速公路逐步向崇山峻嶺地區(qū)邁進，公路隧道所面臨的水文地質(zhì)、圍巖類型、地形地貌等情況越來越復(fù)雜，從而導(dǎo)致隧道襯砌背后空洞、軟弱圍巖、大變形等病害越來越多。其中，運營隧道襯砌背后空洞是其主要病害，并逐漸成為隧道病害防治的一大熱點問題[1]。由于隧道襯砌背后空洞病害極大地減弱了隧道支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用，使得隧道支護結(jié)構(gòu)失去抗力支持且受到不均勻荷載，進而引發(fā)隧道襯砌開裂、變形、掉塊、滲漏水等病害。因此研究隧道襯砌背后空洞對支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，進而為隧道病害防治提供技術(shù)支撐。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對隧道襯砌背后空洞已開展了大量的研究。彭躍[2]等利用數(shù)值模擬對隧道不同部位襯砌背后存在不同范圍空洞的安全系數(shù)進行了研究；曹學(xué)強[3]等采用有限元數(shù)值模擬方法對隧道結(jié)構(gòu)及空洞進行了研究，并計算了具有不同沖擊力的隧道空洞落石作用下結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。佘建[4]等研究了襯砌結(jié)構(gòu)在不同空洞位置、不同應(yīng)力場作用下的病害形式、規(guī)律以及結(jié)構(gòu)承載力的特點；陳俊濤[5]研究了隧道拱頂存在空洞時隧道圍巖、初期支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。本文結(jié)合依托工程，針對隧道襯砌背后不同部位存在空洞的工況進行室內(nèi)模型試驗，在此基礎(chǔ)上進行有限元數(shù)值模擬，從而利用模型試驗與數(shù)值模擬試驗結(jié)果相互驗證，共同得出隧道襯砌背后空洞對支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，以期為今后類似工程提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

某公路隧道為越嶺分離式隧道，全長1 065 m，限界總寬10.5 m，凈高5.0 m，隧道左右線中心距50 m。該隧址區(qū)內(nèi)地形起伏較大，山勢陡峻，相對高差約200 m，最大埋深140 m。隧道進口段發(fā)育一條正斷層，層面產(chǎn)狀為 330°∠65°，斷距 10～12 m，斷層帶內(nèi)巖體破碎。隧址區(qū)內(nèi)出露二迭系上統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)泥巖，部分地段覆蓋第四系更新統(tǒng)坡積層碎石土，洞身圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育。隧址區(qū)內(nèi)地下水類型主要為基巖裂隙水，受大氣降水控制。

該隧道在施工過程中，當左洞開挖至SZK90+989時，掌子面發(fā)生大型塌方，塌方量達1 000 m3。根據(jù)塌方段現(xiàn)場揭示的情況顯示，其圍巖風化程度嚴重，呈破碎狀，在地下水侵蝕下形成塌方。隨后，施工單位先后采用人工假頂、塌腔內(nèi)泵送粉煤灰等措施通過塌方段；但該隧道段在運營期逐漸出現(xiàn)襯砌開裂、滲漏水等病害，利用地質(zhì)雷達對該隧道段襯砌檢測后發(fā)現(xiàn)，其拱頂和左右拱腰背后有大量空洞。為進一步調(diào)查該隧道段襯砌背后空洞情況，在該隧道段選取4個斷面共計36個檢測點，采用鉆芯法進行檢測，結(jié)果顯示其空洞數(shù)為15個，達到總數(shù)的43%，最大空洞深度達0.5 m，且原塌腔內(nèi)回填的粉煤灰并不密實，形成了襯砌背后空洞段。

2 室內(nèi)模型試驗研究

2.1 試驗設(shè)備

本試驗采用平面應(yīng)變?nèi)蚣虞d力學(xué)模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由支撐系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模型試驗整體尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，其隧道結(jié)構(gòu)模型最大直徑可達16 cm。加載系統(tǒng)采用液壓千斤頂及液壓伺服系統(tǒng)，加載最大值可達10 MPa，其加載過程為分級施加，每級荷載增加值為0.3 MPa。

圖1 模型試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 測試方案及監(jiān)測元件布設(shè)

結(jié)合依托工程實際情況，本文針對隧道襯砌背后空洞病害，采用模型試驗?zāi)M分析兩種工況，即拱頂上方（工況一）、右側(cè)拱腰襯砌背后存在空洞（工況二）。為測取隧道襯砌背后存在空洞情況下的隧道支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，本試驗采用電阻應(yīng)變片粘貼在隧道襯砌內(nèi)側(cè)，并在模型中埋設(shè)電阻應(yīng)變式土壓力計以測取其圍巖壓力，土壓力計量程為0～5 MPa。電阻應(yīng)變片及土壓力計數(shù)據(jù)均采用36通道的靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集，具體情況如圖2、圖3所示。

圖2 電阻應(yīng)變片

圖3 土壓力計

為準確分析隧道襯砌背后空洞對其支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響情況，本試驗在隧道襯砌表面的拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳及仰拱部位分別粘貼電阻應(yīng)變片；并沿隧道圍巖壓力分布的5條特征方向線上均勻埋設(shè)電阻應(yīng)變式土壓力計，其監(jiān)測元件具體布設(shè)位置如圖4所示。

圖4 測試元件布設(shè)位置

2.3 試驗結(jié)果的分析

在本試驗中，分別測取不同工況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)在極限承載狀態(tài)、加載穩(wěn)定狀態(tài)及最終破壞狀態(tài)時的切向應(yīng)力值（其值分別用()、[]、{}表示），其具體結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 工況一隧道襯砌切向應(yīng)力值（單位：MPa）

圖6 工況二隧道襯砌切向應(yīng)力值（單位：MPa）

對于拱頂部位襯砌背后存在空洞的工況，當水平荷載增加至0.6 MPa時，拱頂部位和左側(cè)邊墻部位的襯砌逐漸出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的不斷增加，裂縫沿隧道軸向逐漸發(fā)展，襯砌結(jié)構(gòu)達到極限承載狀態(tài)。此原因在于水平荷載的不斷增加使得拱頂產(chǎn)生向上的變形，而拱頂襯砌背后的空洞導(dǎo)致其無法產(chǎn)生抗力，導(dǎo)致該處最早產(chǎn)生裂縫；同時水平方向受力極不均勻，導(dǎo)致左側(cè)邊墻也出現(xiàn)了裂縫。從圖5中可以看出，在最終破壞狀態(tài)時，左側(cè)邊墻應(yīng)力達到了7.60 MPa，明顯大于右側(cè)邊墻應(yīng)力值；此時拱頂襯砌應(yīng)力值為2.10 MPa，明顯大于拱肩、拱腳部位的襯砌應(yīng)力值。

對于右側(cè)拱腰襯砌背后存在空洞的工況，當水平荷載增加至0.5 MPa時，右側(cè)拱腰部位襯砌向內(nèi)產(chǎn)生較大的變形量，該處最早產(chǎn)生裂縫；同時，仰拱部位由于截面曲率較小，應(yīng)力較為集中，其拱腳部位向內(nèi)變形量也較大。隨著荷載的不斷增加，右側(cè)邊墻部位襯砌背后空洞使得其抗力不足，空洞邊緣處的裂縫沿隧道軸向不斷發(fā)展。從圖6中可以看出，在極限承載狀態(tài)下，右側(cè)拱腳處的襯砌應(yīng)力為2.68 MPa，遠大于左側(cè)拱腳處的襯砌應(yīng)力，且隨著荷載的不斷增加，達到最終破壞狀態(tài)時，右側(cè)拱腳處的襯砌應(yīng)力為2.06 MPa，仍大于左側(cè)拱腳處的襯砌應(yīng)力。

3 有限元數(shù)值模擬研究

3.1 參數(shù)選取及模型建立

由于本模型試驗采用二維平面模型，不考慮圍巖、初期支護、二次襯砌的自重，因此初期支護可采用平面梁單元BEAM3來模擬，其模量取鋼拱架與混凝土的平均值，并利用平面梁單元來分析加載狀態(tài)下初期支護的應(yīng)力應(yīng)變情況；而圍巖和二次襯砌采用實體單元PLANE42來模擬[6]。各類材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各類材料的物理力學(xué)參數(shù)值選取

在本模型的建立過程中，為最大限度地消除二維有限元數(shù)值模型邊界條件對模擬結(jié)果的影響誤差，該模型的邊界條件按以下條件進行選?。核椒较蜃笥腋魅?倍的隧道洞徑，垂直方向上下各取3倍的隧道凈高，其具體模型網(wǎng)格劃分情況如圖7所示。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為深入分析不同工況下的隧道支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，本模型試驗提取出了不同工況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩值，具體情況如圖8、圖9所示。

圖7 模型網(wǎng)格劃分圖（單位：m）

圖8 工況一狀態(tài)下襯砌彎矩圖

圖9 工況二狀態(tài)下襯砌彎矩圖

由圖8可以看出，當隧道拱頂部位襯砌背后存在空洞時，拱頂及兩側(cè)拱腳處均承受較大的負彎矩。隨著荷載的不斷增加，拱頂處承受的負彎矩絕對值不斷增大，而拱肩及仰拱部位的彎矩絕對值不斷減小。此原因在于拱頂部位襯砌背后空洞減弱了其支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用力，在荷載作用下該處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖9可以看出，當隧道右側(cè)邊墻部位襯砌背后存在空洞時，右側(cè)邊墻產(chǎn)生較大的彎矩值，隨著荷載的進一步增大，彎矩值及其分布范圍不斷增大，而左側(cè)拱腳處的負彎矩絕對值也不斷增大。此原因在于，右側(cè)邊墻襯砌背后空洞導(dǎo)致該處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時在水平荷載作用下，支護結(jié)構(gòu)受力不均勻，在左側(cè)拱腳處也產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由此可見，數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗結(jié)果基本吻合，隧道襯砌背后空洞將減弱其支護結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，嚴重影響支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性；隧道支護結(jié)構(gòu)極易在空洞處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，應(yīng)及時對襯砌背后空洞進行注漿回填，防止隧道襯砌病害的進一步發(fā)展。

4 結(jié)論

本文依托某高速公路隧道，針對隧道襯砌背后不同部位存在空洞的工況進行室內(nèi)模型試驗，在此基礎(chǔ)上進行有限元數(shù)值模擬，從而利用模型試驗與數(shù)值模擬試驗結(jié)果相互驗證，得出以下幾點結(jié)論：

a）室內(nèi)模型試驗結(jié)果顯示，當拱頂部位襯砌背后存在空洞時，左側(cè)邊墻應(yīng)力明顯大于右側(cè)邊墻應(yīng)力，拱頂襯砌應(yīng)力明顯大于拱肩、拱腳部位的襯砌應(yīng)力值；當右側(cè)拱腰襯砌背后存在空洞時，在極限承載狀態(tài)下，右側(cè)拱腳處的襯砌應(yīng)力遠大于左側(cè)拱腳處的襯砌應(yīng)力。

b）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當隧道拱頂部位襯砌背后存在空洞時，拱頂及兩側(cè)拱腳處均承受較大的負彎矩，而拱肩及仰拱部位的彎矩絕對值不斷減小。當隧道右側(cè)邊墻部位襯砌背后存在空洞時，右側(cè)邊墻產(chǎn)生較大的彎矩值。

c）數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗結(jié)果基本吻合，隧道襯砌背后空洞將減弱其支護結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，嚴重影響其力學(xué)特性。