熊雅文

摘要：關(guān)于隧道襯砌掉塊的檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)有研究主要集中在地質(zhì)雷達(dá)等物探手段方面，而專門針對(duì)隧道襯砌掉塊的系統(tǒng)檢測(cè)方法及成因分析的研究較少。文章依托廣西河都路高嶺一號(hào)隧道襯砌掉塊檢測(cè)項(xiàng)目，從隧道受力環(huán)境出發(fā)，采用外觀檢測(cè)、回彈檢測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)相結(jié)合的綜合檢測(cè)法，對(duì)隧道襯砌掉塊進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)分析，并借助MIDAS有限元分析方法，對(duì)隧道襯砌掉塊的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的處置措施，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌掉塊;綜合檢測(cè)法;MIDAS;有限元;數(shù)值分析

0 引言

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，公路隧道里程逐年增加，隧道中的各類病害也日漸增多，如襯砌掉塊、突水突泥、滲漏水等病害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響隧道的使用功能。

現(xiàn)階段，關(guān)于公路隧道襯砌掉塊的研究，主要集中在采用綜合分析法對(duì)病害成因進(jìn)行分析以及襯砌掉塊的加固技術(shù)等方面[1-3]。針對(duì)隧道襯砌掉塊的檢測(cè)，研究者主要采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行襯砌厚度及其背后脫空情況的探測(cè)[4-5]。而隧道襯砌掉塊的成因是多方面的，如何有效進(jìn)行襯砌掉塊的檢測(cè)，準(zhǔn)確找出病害成因，具有非常大的研究?jī)r(jià)值。此外，結(jié)合綜合檢測(cè)結(jié)果和有限元數(shù)值分析手段對(duì)病害成因分析的研究幾乎沒有。

本文依托廣西河都路高嶺一號(hào)隧道襯砌掉塊檢測(cè)項(xiàng)目，通過(guò)采用外觀檢測(cè)、回彈檢測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)相結(jié)合的綜合檢測(cè)法，對(duì)隧道襯砌掉塊進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，并借助MIDAS有限元分析方法，從理論計(jì)算方面著手，對(duì)隧道襯砌掉塊的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，為類似隧道病害檢測(cè)及成因分析手段提供了借鑒。

1 工程概況

2019-07-16，廣西河都路高嶺一號(hào)隧道上行線YK1806+507（施工樁號(hào)為YK62+481）發(fā)生襯砌掉塊病害，襯砌掉塊位置為隧道右拱腰（距路面垂直高度約4.5 m）處，掉落面積約為2 m2，襯砌掉塊的厚度為15～22 cm。襯砌掉落后露出防水板，防水板與初支粘貼不密實(shí)。襯砌背后積水從缺損處涌出，形成0.3 m直徑水柱，水質(zhì)清澈。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)病害情況，初步推測(cè)隧道病害可能的影響因素包括：圍巖壓力增大、襯砌背后水壓力增大、襯砌混凝土強(qiáng)度不足、襯砌背后脫空、襯砌厚度不足等五個(gè)方面。故針對(duì)該五個(gè)方面制定如下檢測(cè)方案：

（1）外觀檢測(cè)：根據(jù)襯砌掉塊處附近的襯砌結(jié)構(gòu)外觀檢測(cè)結(jié)果，判斷襯砌結(jié)構(gòu)整體受力情況及其穩(wěn)定性。

（2）回彈檢測(cè)：通過(guò)襯砌混凝土的回彈檢測(cè)結(jié)果，判斷襯砌混凝土強(qiáng)度是否滿足要求。

（3）雷達(dá)檢測(cè)：通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)襯砌厚度及背后脫空情況，分析襯砌掉塊的內(nèi)部成因。

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 外觀檢查

通過(guò)外觀檢查可知，襯砌掉塊位置樁號(hào)為YK1806+505～YK1806+507，掉塊面積為S=（2×1）m2，位于右拱腰（距路面垂直距離約4.5 m），掉塊位置防水板與初支無(wú)粘貼，且防水板破損。YK1806+470～YK1806+530范圍內(nèi)隧道主要病害為輕微滲漏水，未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)性裂縫，滲漏水主要發(fā)生在施工縫位置，且已經(jīng)修補(bǔ)完善?？梢娝淼绹鷰r壓力未超過(guò)襯砌承載能力，襯砌背后局部滲漏水壓力較大，含水量豐富，但襯砌結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性尚滿足要求。

2.2 回彈檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)回彈檢測(cè)，得到隧道襯砌掉塊區(qū)段的混凝土回彈值在36.56～43.80之間，換算強(qiáng)度在25.24～43.21 MPa之間，推定現(xiàn)齡期襯砌混凝土強(qiáng)度為29.32 MPa，大于C25混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，說(shuō)明襯砌強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 雷達(dá)檢測(cè)

高嶺一號(hào)隧道上行線YK1806+500～YK1806+510雷達(dá)圖像如圖1～4所示，根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知：

（1）YK1806+500～YK1806+510右拱腰測(cè)線位置，襯砌厚度在17.6～45.1 cm之間。其中，YK1806+503～YK1806+507里程段襯砌厚度在15.4～21.0 cm之間（設(shè)計(jì)厚度為35 cm，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)襯砌的掉塊部位邊緣厚度在15～22 cm之間），如圖4中方框部位所示。

（2）支護(hù)（襯砌）背后空洞：YK1806+500～YK1806+510局部存在二襯孔洞或脫空。

3 病害成因分析

3.1 數(shù)值模型建立

本文采用MIDAS有限元分析軟件對(duì)隧道襯砌受力情況進(jìn)行分析。數(shù)值模型如圖5所示，其中二襯缺陷為局部襯砌厚度不足，且存在脫空，如圖6所示。模型整體采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行建立，其中隧道初期支護(hù)和二次襯砌均采用二維面單元模擬，二者之間的接觸采用節(jié)點(diǎn)耦合方式進(jìn)行模擬，初期支護(hù)與圍巖之間的作用力采用彈簧單元模擬。模型參數(shù)取值如表1所示?？紤]如下三種工況：

工況（1）：二襯背后無(wú)滲水壓力作用。

工況（2）：二襯背后脫空部位存在500 kPa局部水壓力作用。

工況（3）：二襯背后脫空部位存在1 000 kPa局部水壓力作用。

3.2 病害成因分析

通過(guò)MIDAS有限元數(shù)值計(jì)算，當(dāng)襯砌空洞部位無(wú)水壓力作用時(shí)，隧道二次襯砌的von Mises應(yīng)力如圖7所示，隧道二次襯砌的XY平面的總剪應(yīng)力如圖8所示;當(dāng)襯砌空洞部位存在500 kPa的水壓作用時(shí)，隧道二次襯砌缺陷部位的XY平面的總剪應(yīng)力如圖9所示;當(dāng)襯砌空洞部位存在1 000 kPa的水壓作用時(shí)，隧道二次襯砌缺陷部位的XY平面的總剪應(yīng)力如圖10所示。

由圖7可知，二次襯砌的最大von Mises應(yīng)力位于右側(cè)邊墻位置，大小為7.6 MPa<16.7 MPa（C25混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）。由圖8可知，二次襯砌的最大剪應(yīng)力位于右側(cè)拱腰位置（襯砌掉塊部位），大小為2.2 MPa<2.5 MPa（C25混凝土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）。由圖9～10可知，隧道缺陷部位的最大剪應(yīng)力隨空洞部位水壓力的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度并不大，可見襯砌厚度不足和空洞缺陷是襯砌掉塊的內(nèi)在成因，水壓力增大是外因。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，二次襯砌拱腰部位缺陷位置附近的剪應(yīng)力已接近C25混凝土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，隨著二襯背后水壓力逐漸增大，將會(huì)導(dǎo)致襯砌開裂破損，并進(jìn)一步惡化，從而發(fā)生襯砌掉塊。

3.3 處治建議

由前文3.2節(jié)中的襯砌掉塊病害成因分析可知，隧道襯砌掉塊主要是由于拱腰部位襯砌厚度不足，且存在空洞缺陷，隨著襯砌背后水壓力增大而引起的。根據(jù)該病害成因，建議進(jìn)行如下處治：

（1）對(duì)襯砌背后進(jìn)行注漿堵水，并修復(fù)受損的防水板。

（2）通過(guò)內(nèi)置鋼筋網(wǎng)，對(duì)受損襯砌進(jìn)行修復(fù)。

（3）對(duì)隧道整體粘貼碳纖維鋼板進(jìn)行加固。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)外觀檢測(cè)、回彈檢測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)相結(jié)合的綜合檢測(cè)法，對(duì)公路隧道襯砌掉塊進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)，并結(jié)合MIDAS有限元數(shù)值分析方法，分析了病害的形成機(jī)理，同時(shí)研究了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力薄弱環(huán)節(jié)，從而針對(duì)性地提出了隧道襯砌掉塊的處治建議。通過(guò)該工程實(shí)例，探索了綜合檢測(cè)法和有限元數(shù)值分析相結(jié)合的手段在公路隧道襯砌掉塊病害檢測(cè)技術(shù)中的可行性，為類似公路隧道病害的檢測(cè)提供了技術(shù)參考。

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