葉藝超，彭立敏，雷明鋒, 2，林越翔

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不同脫空模式下隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分析

葉藝超1，彭立敏1，雷明鋒1, 2，林越翔1

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

結(jié)合范家溝隧道工程，基于荷載?結(jié)構(gòu)法平面計(jì)算分析模型，設(shè)置不同脫空范圍及不同脫空模式，分析襯砌脫空對(duì)在役隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：脫空的影響主要集中在空洞范圍內(nèi)及其鄰近位置處，脫空的范圍越大，影響的范圍也越大；襯砌不同位置對(duì)脫空的敏感性表現(xiàn)為：拱腰>拱頂>脫空鄰近處，且拱腰鄰近處>拱頂鄰近處，較之拱頂脫空的情況，拱腰處出現(xiàn)脫空時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)更為不利；特征位置安全系數(shù)與結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)隨脫空范圍的增大均表現(xiàn)為先增大后急劇減小，正彎矩處輕度的脫空可以有效改善隧道結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)，而重度脫空將使結(jié)構(gòu)承載性能大幅降低。根據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)結(jié)果，劃分脫空病害等級(jí)，并界定相應(yīng)的處治措施。同時(shí)討論人為在結(jié)構(gòu)正彎矩處設(shè)置輕度脫空的可行性，并初步提出設(shè)置方案。

隧道工程；襯砌脫空；脫空模式；結(jié)構(gòu)安全性；脫空病害等級(jí)；處治措施

隨著交通工程建設(shè)的飛速發(fā)展，中國(guó)已成為世界上隧道工程最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國(guó)家。截至2013年年底，我國(guó)運(yùn)營(yíng)隧道總里程已位列世界第一。其中鐵路隧道11 074座，總延長(zhǎng)約8 939 km；公路隧道11 359座，總延長(zhǎng)約9 606 km[1]。目前，我國(guó)隧道已經(jīng)進(jìn)入“高維修”管理期[2]，隧道病害對(duì)結(jié)構(gòu)服役安全的影響越來(lái)越被學(xué)界與工程界所重視，王夢(mèng)恕提出：隧道的缺陷或病害問(wèn)題是世界性問(wèn)題，在我國(guó)尤為突出，因此，要改變以往“重建設(shè)，輕維修，輕整治”的理念[1]。襯砌背后空洞是嚴(yán)重的隧道病害之一，根據(jù)對(duì)我國(guó)廣東梅汕鐵路公司103座隧道的無(wú)損檢測(cè)，測(cè)線長(zhǎng)34.4 km，其中襯砌背后存在空洞長(zhǎng)度占測(cè)線總長(zhǎng)的7.8%[3]。寧波11座國(guó)省道公路隧道無(wú)損檢測(cè)后，共查出169處襯砌背后空洞。襯砌背后空洞占所檢測(cè)總長(zhǎng)度的11.3%[4]。張頂立團(tuán)隊(duì)對(duì)100余座鐵路運(yùn)營(yíng)隧道進(jìn)行襯砌無(wú)損檢測(cè)工作和評(píng)估工作，得到襯砌背后接觸松散和空洞段隧道長(zhǎng)度占檢測(cè)總長(zhǎng)度的比例高達(dá)11.56%[5]。石家莊鐵道學(xué)院對(duì)貴廣鐵路18座隧道的二次襯砌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)出47處襯砌背后脫空，占總檢測(cè)長(zhǎng)度14.78%。據(jù)TA[6]報(bào)告，美國(guó)的2條污水隧道、一條輸水隧道及日本的一條交通運(yùn)輸隧道均由于襯砌脫空而使得隧道襯砌產(chǎn)生了破壞。襯砌脫空如圖1所示。

圖1 襯砌脫空照片

大量的工程檢測(cè)結(jié)果與實(shí)例已經(jīng)說(shuō)明了脫空病害的普遍性與嚴(yán)峻形勢(shì)。為此，廣大科研工作者采用數(shù)值模擬分析、理論推導(dǎo)及室內(nèi)試驗(yàn)等不同技術(shù)手段，對(duì)隧道襯砌脫空的問(wèn)題開(kāi)展了大量工作，取得了諸多有價(jià)值的研究成果。如WANG等[7?11, 14]采用數(shù)值模擬，分析了襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全性的影響規(guī)律；吳江濱[12]基于平面復(fù)變函數(shù)法推導(dǎo)了含襯砌背后空洞時(shí)圍巖三次應(yīng)力與襯砌內(nèi)力計(jì)算公式；Leung等[13?15]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)探究了襯砌背后空洞存在時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和承載特性。現(xiàn)有的成果多是針對(duì)單一空洞的情況，且空洞的設(shè)置常具有較強(qiáng)的主觀性，而對(duì)于考慮工程實(shí)際的多空洞之間相互作用下隧道結(jié)構(gòu)安全性研究仍有不足，特別是脫空病害的分類(lèi)定級(jí)及處治措施界定方面仍有大量工作需要開(kāi)展。本文基于西成鐵路范家溝隧道工程，采用荷載-結(jié)構(gòu)法，針對(duì)不同范圍、不同位置及不同組合形式的脫空狀態(tài)開(kāi)展較為系統(tǒng)的計(jì)算分析，以期完善對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性影響規(guī)律的研究。

1 工程背景與脫空病害統(tǒng)計(jì)

范家溝隧道長(zhǎng)1 099 m，最大埋深約90 m。隧區(qū)屬低山區(qū)剝蝕地貌，地表上覆粉質(zhì)黏土層，下伏泥巖夾砂巖，以軟質(zhì)巖為主，節(jié)理裂隙多呈閉合狀，整體屬Ⅳ級(jí)軟石；地下水賦存條件差，為弱含水巖組；線路右側(cè)巖層產(chǎn)狀為順層，屬不良地質(zhì)。范家溝隧道Ⅳ級(jí)圍巖襯砌設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖2。

依據(jù)《西成鐵路范家溝隧道工程地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)報(bào)告》，范家溝隧道脫空病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

范家溝隧道脫空病害檢測(cè)結(jié)果與寧波地區(qū)11座公路隧道以及貴廣鐵路18座隧道的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果基本是一致的，即隧道拱頂位置處的襯砌脫空最為嚴(yán)重，拱腰處次之，拱角及拱底幾乎不存在空洞。因此，本文主要考慮拱頂與拱腰脫空的情況，基于此設(shè)計(jì)計(jì)算工況如表2所示。為便于后續(xù)的作圖與分析，分別以V，VRH和VLRH表示“拱頂脫空”、“拱頂+右拱腰脫空”及“拱頂+左拱腰+右拱腰脫空”模式。

單位：cm

表1 范家溝隧道脫空病害統(tǒng)計(jì)表

注：拱頂與單側(cè)拱腰同時(shí)出現(xiàn)脫空4次；拱頂與雙側(cè)拱腰同時(shí)出現(xiàn)脫空1次

表2 計(jì)算工況

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

以范家溝隧道為基準(zhǔn)分析模型，襯砌脫空部位不加抗力彈簧，建立荷載?結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型如圖3所示。為便于分析，自拱底中心截面起，按順時(shí)針?lè)较驅(qū)Ω鹘孛孢M(jìn)行編號(hào)，截面號(hào)分別為1~67，其中17，35與52號(hào)截面分別為左拱腰、拱頂與右拱腰脫空處中心截面。

圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，襯砌為C30模筑混凝土，厚度45 cm，材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。隧道拱頂埋深取50 m，荷載參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)相關(guān)規(guī)定計(jì)算得到：豎向均布荷載=104.13 kN/m，水平均布荷載=31.24 kN/m。

2.2 無(wú)脫空下襯砌內(nèi)力分布與安全系數(shù)

襯砌結(jié)構(gòu)軸力與彎矩是《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的安全系數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其計(jì)算流程詳見(jiàn)規(guī)范相關(guān)內(nèi)容。襯砌背后無(wú)脫空時(shí)，計(jì)算得到隧道襯砌軸力、彎矩及相應(yīng)各截面的安全系數(shù)分布規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，在拱頂、拱腰與拱底部分截面彎矩為正值(襯砌內(nèi)側(cè)受拉)，在拱肩與拱角處的彎矩為負(fù)值(襯砌內(nèi)側(cè)受壓)，正、負(fù)彎矩的最大值分別出現(xiàn)在拱頂與拱肩處，就彎矩絕對(duì)值而言又以拱頂為最大，該位置也成為安全系數(shù)最小的截面。

圖3 分析基準(zhǔn)模型

表3 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2.3 不同脫空模式下襯砌內(nèi)力分布規(guī)律

不同脫空模式下襯砌截面軸力與彎矩分布規(guī)律如圖5和圖6所示。對(duì)比圖4和圖5~6可知，脫空的存在改變了圍巖與襯砌的接觸狀態(tài)，導(dǎo)致襯砌截面內(nèi)力分布規(guī)律發(fā)生了顯著改變。根據(jù)軸力計(jì)算結(jié)果(圖5)，隨著脫空范圍的增大，襯砌軸力基本保持線性關(guān)系逐步減小，且對(duì)于同一脫空范圍，不同脫空模式下軸力分布基本不變。因此，襯砌軸力主要與脫空范圍有關(guān)，而與脫空模式關(guān)系較小。與軸力不同的是，彎矩(圖6)與脫空范圍及脫空模式均息息相關(guān)，且變化規(guī)律也不再是單調(diào)的，而表現(xiàn)出“協(xié)調(diào)”的變化關(guān)系。隨著脫空范圍的增大，脫空處襯砌截面彎矩由正值先減小至0，后反向增大。脫空鄰近處的襯砌截面彎矩變化恰恰與之相反。

(a) 彎矩/(kN·m)；(b) 軸力/kN；(c) 安全系數(shù)

圖5 不同脫空模式下襯砌截面軸力

V脫空模式下，發(fā)生彎矩反轉(zhuǎn)的部位集中在拱頂與拱肩。45°脫空時(shí)，變化最大為拱肩27號(hào)截面，彎矩由?53.69 kN·m變化為102.56 kN·m，增幅近200%；VLRH脫空模式下，拱頂與兩側(cè)的拱肩、拱腰與拱角部位的彎矩均發(fā)生了“反轉(zhuǎn)”，45°脫空時(shí)，變化最大拱腰17號(hào)截面(或52號(hào)截面)彎矩由13.30 kN·m變化為?244.33 kN·m，增大了近17倍；VRH脫空模式下，拱頂與右側(cè)的拱肩、拱腰與拱角部位的彎矩發(fā)生了“反轉(zhuǎn)”，彎矩的分布不再對(duì)稱(chēng)，隧道結(jié)構(gòu)受偏壓效應(yīng)的影響導(dǎo)致右側(cè)比左側(cè)襯砌截面更大的彎矩作用，最大值出現(xiàn)在右側(cè)拱腰脫 空處。

(a) V脫空模式下襯砌截面彎矩； (b) VRH脫空模式下襯砌截面彎矩；(c) VLRH脫空模式下襯砌截面彎矩

2.4 襯砌脫空對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律

根據(jù)襯砌內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果得到的不同脫空模式下隧道結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)如圖7所示。

1) 整體分析

從圖7可知，不同脫空模式下隧道結(jié)構(gòu)整體的安全系數(shù)分布具有明顯的演化規(guī)律?？偨Y(jié)以后可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

①脫空的影響主要集中在空洞范圍內(nèi)及其鄰近位置處，脫空的范圍越大，影響的范圍也越大。較之拱頂脫空的情況，拱腰處出現(xiàn)脫空時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性更為不利。

(a) 脫空5°襯砌截面安全系數(shù)；(b) 脫空15°襯砌截面安全系數(shù)；(c) 脫空20°襯砌截面安全系數(shù)；(d) 脫空25°襯砌截面安全系數(shù)； (e) 脫空35°襯砌截面安全系數(shù)；(f) 脫空45°襯砌截面安全系數(shù)

②當(dāng)脫空范圍較小(0°~15°)時(shí)，較之無(wú)脫空情況，襯砌結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)有所增加，特別是拱頂脫空處及其鄰近位置增幅明顯。比如，拱頂35號(hào)截面無(wú)脫空下安全系數(shù)為3.72，拱頂15°脫空下安全系數(shù)已增至17.66，增幅374.7%。當(dāng)脫空范圍較大時(shí)，隨著空洞尺寸的增大，襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)急劇減小，危險(xiǎn)截面也急劇增多。以VLRH脫空模式為例，當(dāng)空洞范圍為45°時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)已低至0.64。

③當(dāng)出現(xiàn)多處脫空時(shí)，空洞之間相互作用，聯(lián)合影響結(jié)構(gòu)的安全性。脫空范圍較小時(shí)，空洞之間相互作用較弱，脫空效應(yīng)只影響脫空處及臨近位置襯砌結(jié)構(gòu)的安全性；而隨著脫空范圍的增大，不同位置空洞的相互作用將快速增強(qiáng)，襯砌整體安全性下降明顯，危險(xiǎn)截面的比例快速增大。

2) 特征截面分析

脫空下襯砌危險(xiǎn)截面安全性一直是工程師關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)整體安全系數(shù)分布規(guī)律分析，確定各工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)下降明顯的截面為特征分析截面，見(jiàn)表4。特征截面安全系數(shù)隨脫空范圍增大，演化曲線見(jiàn)圖8。圖中，SCS表示結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；V-SCS，VRH-SCS和VLRH-SCS分別表示對(duì)應(yīng)脫空模式下結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

表4 特征截面

由圖8可知，隨著脫空范圍的增加，特征截面安全系數(shù)的整體規(guī)律是一致的，均表現(xiàn)為先上升后下降。但是，不同脫空位置的襯砌結(jié)構(gòu)劣化反應(yīng)并不同步。對(duì)于脫空處(如截面17，35，52)，拱頂在脫空大于15°后開(kāi)始下降；而拱腰處在脫空大于5°后，截面安全系數(shù)即開(kāi)始下降，超過(guò)15°后，下降速度急劇增大；在脫空超過(guò)25°后，拱頂與拱腰脫空處的安全系數(shù)已小于規(guī)范值。對(duì)于脫空鄰近處(如截面11，25，44，58)，均在脫空超過(guò)25°后，安全系數(shù)才開(kāi)始減小，在脫空45°后，特征截面安全系數(shù)小于規(guī)范值。上述分析表明，不同位置脫空的敏感性表現(xiàn)為：拱腰＞拱頂＞脫空鄰近處，且拱腰鄰近處＞拱頂鄰近處。

3) 結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)與危險(xiǎn)截面百分比

除了特征截面的安全性以外尚有2個(gè)關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值得關(guān)注，即結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)與危險(xiǎn)截面百分比。前者直接關(guān)系到隧道截面安全性的評(píng)判，而后者則反映了隧道全斷面的危險(xiǎn)等級(jí)。不同脫空模式下的結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)如圖9所示。

(a) V脫空模式下特征截面安全系數(shù)； (b) VRH脫空模式下特征截面安全系數(shù)； (c) VLRH脫空模式下特征截面安全系數(shù)

圖9 不同脫空模式下結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)

從圖9中可知，隨著脫空范圍的增大，最小安全系數(shù)同樣表現(xiàn)出先上升后下降的演化規(guī)律。在0°～5°脫空范圍快速增大，在5°~15°范圍內(nèi)，增速減慢，脫空超過(guò)15°后，先急速下降，最后趨于平穩(wěn)。且存在拱腰脫空時(shí)其劣化速度要略大于只有拱頂脫空的情況。

圖10 危險(xiǎn)截面百分比統(tǒng)計(jì)

將安全系數(shù)小于規(guī)范值的截面定位為危險(xiǎn)截面，其占全斷面的百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖10。在脫空小于15°時(shí)，未出現(xiàn)危險(xiǎn)截面。隨后危險(xiǎn)截面百分比隨著脫空范圍的增加而快速增大，在脫空35°時(shí)出現(xiàn)跳躍性增長(zhǎng)，且脫空位置越多，增速越快。以VLRH脫空模式為例，脫空20°下危險(xiǎn)截面僅占比1.56%，而脫空45°下，危險(xiǎn)截面百分比達(dá)到61.5%。初步分析其原因，一方面是由于逐步增大的脫空范圍，另一方面則是因?yàn)槊摽?5°后，脫空鄰近截面轉(zhuǎn)化為危險(xiǎn)截面，大幅增加了危險(xiǎn)截面的百分比。

3 脫空病害等級(jí)劃分與處治措施

針對(duì)襯砌脫空病害，目前工程上主要采用“注漿回填”進(jìn)行處治，較為嚴(yán)重時(shí)輔以錨桿及內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)。然而，脫空問(wèn)題往往伴隨著襯砌欠厚、裂損等系列病害，其處治措施本身也一定程度上改變了二襯的整體性與受力的均勻性，其處治的長(zhǎng)期效果仍有待工程的進(jìn)一步檢驗(yàn)。最為完善的工程舉措應(yīng)是“鑿除重做”，但是其花費(fèi)的代價(jià)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于注漿回填?！豆匪淼鲤B(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》提及“關(guān)于突發(fā)性崩塌，根據(jù)國(guó)外資料顯示，當(dāng)拱背存在高30 cm以上的空洞且有效襯砌厚度小于30 cm時(shí)，空腔落石就有可能砸壞襯砌結(jié)構(gòu)”，而具體應(yīng)如何劃分脫空病害等級(jí)，采取何種針對(duì)性處治措施，目前并未有規(guī)范對(duì)此作出明確的規(guī)定。鑒于脫空問(wèn)題的普遍性與嚴(yán)峻形勢(shì)，對(duì)脫空病害的分類(lèi)定級(jí)已經(jīng)勢(shì)在必行。

根據(jù)上述系統(tǒng)的分析，15°，35°與45°脫空范圍可作為脫空病害等級(jí)劃分的關(guān)鍵分界，依此，將脫空病害劃分為如下的4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表5。

該等級(jí)劃分與楊萍[16]基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得到的結(jié)果基本相同，說(shuō)明本文對(duì)于脫空病害等級(jí)的界定是合理的，且界限更為清晰，安全性影響的描述也更為明確。依此等級(jí)劃分，并結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)[17]確定的處治措施見(jiàn)表6。

表5 脫空病害等級(jí)劃分

表6 脫空病害處治措施

4 討論

隧道結(jié)構(gòu)幾何特征及服役環(huán)境很大程度上決定了其受力特征，一般情況下，隧道拱頂及拱腰處將出現(xiàn)正彎矩。當(dāng)在這2個(gè)部位出現(xiàn)脫空時(shí)，因圍巖壓力局部缺失，脫空部位正彎矩將逐步減小并向負(fù)彎矩轉(zhuǎn)變，同時(shí)軸力有效減小。在此過(guò)程中必然存在某一脫空范圍使得隧道結(jié)構(gòu)形成最佳受力形態(tài)。以VLRH脫空模式為例，不同脫空范圍下彎矩分布如圖11所示。從圖中可以看到在脫空15°時(shí)彎矩分布最為集中，最值也最小(其余模式與之類(lèi)似)，說(shuō)明脫空15°下結(jié)構(gòu)受力最為合理。當(dāng)然，該脫空范圍的確定取決于隧道結(jié)構(gòu)及服役環(huán)境，其值必然不是常數(shù)。但是，正彎矩處人為設(shè)置輕度脫空(比如拱頂5°脫空)仍可一定程度上使結(jié)構(gòu)受力更合理，且保證一定的通用性與可操作性。若該工程措施得以實(shí)現(xiàn)，至少有2個(gè)益處：其一，減小襯砌截面尺寸，節(jié)省材料和造價(jià)；其二，提高結(jié)構(gòu)安全性及延長(zhǎng)服役壽命。

圖11 不同脫空范圍下彎矩分布

人為在隧道結(jié)構(gòu)正彎矩處設(shè)置輕度脫空理論上可以改善結(jié)構(gòu)受力形態(tài)，但是，仍然面臨不少挑戰(zhàn)。首先，隧道服役環(huán)境中往往含有地下水系，當(dāng)設(shè)置脫空時(shí)，空洞的存在將使地下水匯集形成集中流動(dòng)，更可能造成水土流失而進(jìn)一步擴(kuò)大；其次，圍巖壓力的釋放會(huì)使人為空洞壓縮并逐步消失。因此設(shè)計(jì)人為輕度脫空時(shí)，應(yīng)保證空洞的自穩(wěn)性及填充材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且不會(huì)因水土流失而進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)筆者的認(rèn)知，多孔橡膠材料可能足以 勝任。

5 結(jié)論

1) 脫空的存在直接改變了圍巖與襯砌的接觸狀態(tài)，導(dǎo)致襯砌截面內(nèi)力分布規(guī)律發(fā)生了顯著改變。隨著脫空范圍的增大，襯砌軸力基本保持線性關(guān)系逐漸減小，而脫空及其鄰近截面彎矩則先減小至0，后反向增大。

2) 脫空的影響主要集中在空洞范圍內(nèi)及其鄰近處，脫空的范圍越大，影響越大；不同位置脫空的敏感性表現(xiàn)為：拱腰>拱頂>脫空鄰近處，且拱腰鄰近處>拱頂鄰近處，較之拱頂脫空的情況，拱腰處出現(xiàn)脫空時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)更為不利；特征位置與結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)隨脫空范圍的增大均表現(xiàn)為先增大后急劇減小，表明輕度的脫空可以改善隧道結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)，而重度脫空將使結(jié)構(gòu)承載性能大幅降低。

3) 脫空15°與35°分別是輕度脫空與重度脫空的臨界值。脫空35°將使脫空處及鄰近截面安全系數(shù)低于規(guī)范值，危險(xiǎn)截面百分比大幅增加，注漿處治時(shí)應(yīng)輔以錨桿及內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)等工程措施；脫空大于45°時(shí)，超過(guò)60%的襯砌截面安全系數(shù)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范值，建議鑿除重做。

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Safety analysis of tunnel structures with different patterns of voids behind lining

YE Yichao1, PENG Limin1, LEI Mingfeng1, 2, LIN Yuexiang1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway, Changsha 410075, China)

Based on the Fanjiagou tunnel, a plane analytical model is performed to study the safety state of tunnel structure by setting the voids behind the lining with different ranges and patterns. The results of numerical simulations indicate that the effect of voids is mainly concentrated in the void area and its adjacent position and the larger the voids, the greater the reach; the sensibility of different lining position to the voids behind shows up as the tunnel vault is less than the hance and greater than the adjacent positions. So when the voids exist behind the lining of tunnel hance, it has a larger influence on the structural safety factors than the situation that the vault of tunnel have the voids behind the lining. With the increase of the range of the voids, the safety factors of typical sections increase first then decrease rapidly, which also apply to the structural minimum safety factor. The small voids behind the lining with positive bending moment can effectively improve the stress state of tunnel structure, while the large voids will greatly reduce the structural bearing capacity. Furthermore, depending on calculation and statistical results, the defect level of voids is divided, by which the corresponding measures are also defined. At last, the feasibility of setting up small voits by cellular materials of rubber in the position of positive bending moment is discussed, which may bring about benefits for keeping the long term safety of tunnel structure.

tunnel engineering; voids behind lining; pattern of voids; safety factor; defect level of voids; treatment measures

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.019

U45

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2875 ? 09

2017?09?24

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB1201204)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508575)

雷明鋒(1983–)，男，湖南祁東人，副教授，從事隧道及地下工程結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用工作；E?mail：mingfenglei@yahoo.com.cn

(編輯 蔣學(xué)東)