劉 瑋

(南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇南京210019)

近二十年來，我國公路發(fā)展迅猛，隧道工程規(guī)模也越來越大。受工程設(shè)計(jì)、工程施工及運(yùn)營期間維護(hù)過程中等各因素影響，隧道運(yùn)營過程中出現(xiàn)了多種類別病害，維修加固需求越來越多。特別是影響隧道結(jié)構(gòu)承載力及運(yùn)營安全的襯砌開裂、掉塊、漏水等病害發(fā)生實(shí)例較多。本文利用數(shù)值軟件，依托某隧道工程，結(jié)合圍巖條件及設(shè)計(jì)參數(shù)，針對隧道襯砌厚度不足、隧道襯砌劣化等病害狀態(tài)下的受力分布及結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究，為類似工程制定經(jīng)濟(jì)合理的病害處治措施提供技術(shù)支持［1-2］。

1 依托工程概況

為探明運(yùn)營公路隧道各類病害對襯砌結(jié)構(gòu)承載能力的影響，本章擬通過數(shù)值計(jì)算和理論分析，依托國內(nèi)某隧道圍巖條件及設(shè)計(jì)參數(shù)，對隧道襯砌在厚度不足及劣化情況下的安全性開展具體計(jì)算研究，揭示其對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。為后續(xù)制定經(jīng)濟(jì)合理的病害處治措施提供理論支持。

數(shù)值計(jì)算研究模型的建立主要基于依托工程隧道群設(shè)計(jì)文件中洞口段Ⅳ級圍巖段，該段結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)圖和設(shè)計(jì)參數(shù)分別見圖1和表1。

圖1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

2 厚度不足對結(jié)構(gòu)安全影響分析

本文將分析拱頂、拱肩和墻腰三個病害特征位置。通過對依托隧道襯砌不同缺陷狀態(tài)下的受力分布規(guī)律及安全性狀態(tài)，研究襯砌厚度欠缺對隧道襯砌安全性的影響［3-4］。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)

2.1 襯砌厚度欠缺研究方案

襯砌厚度欠缺是常見的病害，分為整體厚度欠缺不足和局部厚度欠缺不足兩種類型，其中最為常見的是局部不足。本項(xiàng)選拱頂、拱肩和墻腰三處特征位置局部厚度不足時的情況進(jìn)行研究。

襯砌厚度設(shè)計(jì)值H，實(shí)際值h：

式中：Ah和Ih是根據(jù)檢測實(shí)際襯砌厚度h計(jì)算出的截面面積和慣性矩。

2.2 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，利用ANSYS軟件，計(jì)算時對于復(fù)合式襯砌，本次檢算Ⅳ級圍巖二襯襯砌承擔(dān)荷載比例分別取40%考慮；分析時假定襯砌背后回填密實(shí)(表2)。

表2 圍巖參數(shù)

2.3 欠厚程度對結(jié)構(gòu)安全性的影響分析

對于襯砌欠厚程度，按不同劣化程度等級進(jìn)行折減，共計(jì)算18個工況。

(1)拱頂局部欠厚。假定拱頂局部欠厚范圍寬為1.5 m，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 拱頂局部不同欠厚程度時各截面安全系數(shù)分布

圖3 拱頂局部欠厚程度與拱頂、拱肩和墻腰處結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)關(guān)系

根據(jù)分析結(jié)果，拱頂厚度欠缺時，拱頂區(qū)域先顯著降低，而后有所抬升。隨著隧道頂部區(qū)域厚度缺陷程度增加，襯砌最大軸力、大彎矩有所上升。拱頂處軸力略有上升，而彎矩迅速下降。

(2)拱肩厚度不足。假定拱頂局部欠厚范圍1.5 m，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 拱肩局部不同欠厚程度時各截面安全系數(shù)分布

圖5 拱肩局部欠厚程度與拱頂、拱肩和墻腰處結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)關(guān)系

根據(jù)分析結(jié)果，拱肩的安全系數(shù)顯著降低，拱頂處的安全系數(shù)也隨著拱肩厚度不足的程度呈下降趨勢，而墻腰處的安全系數(shù)則有一定程度的增加。

隨著拱肩缺陷程度增加，該處襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩顯著降低。因?yàn)楣凹绨l(fā)生厚度不足缺陷，隧道內(nèi)力進(jìn)行了重分布，使得彎矩往拱頂方向移動，在該區(qū)域的內(nèi)力和極限承載力綜合變化的同時，其安全系數(shù)發(fā)生復(fù)雜變化。

(3)墻腰欠厚。計(jì)算假定拱頂局部欠厚范圍寬為1.5 m，計(jì)算結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 墻腰局部不同欠厚程度時各截面安全系數(shù)分布

圖7 墻腰局部欠厚程度與拱頂、拱肩和墻腰處結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)關(guān)系

根據(jù)分析結(jié)果，墻腰出現(xiàn)缺陷時，該處安全系數(shù)顯著減小，其他部位安全系數(shù)均無顯著變化，對整體結(jié)構(gòu)的承載性能影響較小。

3 襯砌劣化對結(jié)構(gòu)安全影響分析

3.1 襯砌劣化研究方案

結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)承載和安全性分析要求，材料劣化病害計(jì)算模型的材料彈性模量E和材料抗拉強(qiáng)度σt、抗壓強(qiáng)度σc按照實(shí)際病害檢測結(jié)果選取，即：

式中：Ei、σti、σci分別是劣化襯砌混凝土彈性模量、抗拉、抗壓強(qiáng)度。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算模型及參數(shù)同2.2節(jié)。

3.3 劣化程度對結(jié)構(gòu)安全性的影響分析

依托某隧道工程實(shí)際情況，按不同劣化程度等級，分析不同襯砌劣化程度下的襯砌結(jié)構(gòu)受力分布及結(jié)構(gòu)安全性(圖8、圖9)。

從圖8、圖9可見：全局劣化狀態(tài)下，隨著劣化程度的加深，襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)呈線性減小趨勢，結(jié)構(gòu)承載能力逐漸減小，襯砌結(jié)構(gòu)趨于不安全狀態(tài)［5］。

圖8 不同全局劣化程度時各截面安全系數(shù)分布

圖9 全局劣化程度與典型部位結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

本文結(jié)合所依托工程，對隧道不同位置出現(xiàn)厚度不足及襯砌劣化情況下的結(jié)構(gòu)受力分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算研究，結(jié)論如下：

(1)隧道頂部襯砌厚度與設(shè)計(jì)相比有欠缺的情況下，對隧道結(jié)構(gòu)的安全影響相對較大。尤其拱肩部區(qū)域受影響較明顯。隧道頂部的安全系數(shù)先顯著降低，而后有所抬升。

(2)隧道拱肩部位襯砌厚度欠缺時，該處安全系數(shù)顯著降低，拱頂處的安全系數(shù)也隨著拱肩厚度不足的程度呈下降趨勢，而墻腰處的安全系數(shù)則有一定程度的增加。

(3)墻腰厚度欠缺時，隨著缺陷程度增加其相應(yīng)的安全系數(shù)顯著降低。

(4)隨著拱肩和墻腰區(qū)域劣化范圍的增大，拱肩區(qū)域安全系數(shù)降低的范圍也逐漸增大，其它未劣化區(qū)域安全系數(shù)變化不大。