朱 波，馮 勁，鄒春賢，劉學(xué)增，桑運(yùn)龍,4，孫 州,4

(1.武義縣交通運(yùn)輸局，浙江 金華 321200；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310031；3.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092；4.上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200092)

0 引言

隨著我國公路隧道養(yǎng)護(hù)里程及運(yùn)營年限的不斷增加，隧道裂縫等結(jié)構(gòu)病害問題日益突出，嚴(yán)重威脅隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全，隧道結(jié)構(gòu)開裂問題[1-3]及隧道結(jié)構(gòu)加固方法受到眾多學(xué)者關(guān)注。

在裂縫研究方面，黃宏偉等[4]采用擴(kuò)展有限元分析了襯砌結(jié)構(gòu)裂縫分布規(guī)律、擴(kuò)展過程和發(fā)生機(jī)制；王建秀等[5]結(jié)合雙連拱公路隧道分析認(rèn)為，結(jié)構(gòu)偏壓荷載、不均勻沉降、不合理的施工工序及混凝土溫度是隧道產(chǎn)生裂縫的主要原因。在隧道結(jié)構(gòu)加固方法方面，秦洲等[6]闡述了公路隧道襯砌不同加固方法及相應(yīng)的加固關(guān)鍵技術(shù)，劉學(xué)增等[7]采用模型試驗(yàn)分析了不同損傷狀態(tài)下襯砌套拱加固構(gòu)件變形特征、破壞模式及加固效果，劉燕鵬等[8]分析了采用復(fù)合式套拱加固方法對(duì)六盤山裂損襯砌進(jìn)行加固可行。李曉琴等[9]研究了豎向松弛地壓作用下兩車道公路隧道襯砌采用ECC，R/ECC，RC 3種套拱加固方案下不同損傷襯砌的力學(xué)行為和加固效果。但對(duì)于偏壓荷載作用下斷面扁平隧道套拱加固結(jié)構(gòu)開裂損傷演化機(jī)制與加固效果的研究相對(duì)較少。

本文采用塑性損傷與擴(kuò)展有限元(XFEM)計(jì)算模型對(duì)比分析了偏壓荷載作用下斷面扁平隧道結(jié)構(gòu)加固前后受力變形特征損傷演化過程和裂縫擴(kuò)展規(guī)律，分析了隧道疊合式套拱結(jié)構(gòu)對(duì)原結(jié)構(gòu)承載特性的影響。

1 工程概況

浙江武義白陽山隧道2005年建成通車，運(yùn)營已達(dá)15年，隧道采用單洞雙向行駛模式穿過白陽山，長度為480m，埋深為0～110m，隧道進(jìn)出口洞門為端墻式，明洞為現(xiàn)澆鋼筋混凝土等截面曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)，暗洞襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原則采用復(fù)合式單圓曲墻襯砌。采用錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土等進(jìn)行初期支護(hù)，二次襯砌采用混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，兩層間設(shè)置防水層。隧道穿越全～強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，節(jié)理、裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性一般～較差，同時(shí)水量較豐富，隨季節(jié)性變化，進(jìn)洞口段左邊地勢(shì)高、右邊地勢(shì)低，如圖1所示。

圖1 白陽山隧道進(jìn)洞口

2 計(jì)算模型與參數(shù)選取

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

基于白陽山V級(jí)圍巖洞口偏壓段運(yùn)營隧道，采用荷載結(jié)構(gòu)法建立三維有限元計(jì)算模型，地層抗力通過只受壓不能受拉的非線性彈簧模擬，地層抗力系數(shù)為150MPa/m，結(jié)合白陽山隧道洞口段地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)左拱腰病害特征及JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中偏壓隧道襯砌荷載計(jì)算方法，將隧道外部荷載簡(jiǎn)化為左拱腰45°范圍內(nèi)荷載為251kPa，拱頂和邊墻為58.2kPa的初始荷載，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

隧道斷面寬1 341cm、高934cm，襯砌厚45cm，套拱厚30cm，軸向長度取10m，高跨比為0.69，為典型的斷面扁平隧道，如圖3所示，不考慮鋼筋和混凝土間的黏結(jié)滑移，鋼筋嵌入混凝土中，原結(jié)構(gòu)與套拱間采用共結(jié)點(diǎn)方式模擬，采用“追蹤單元”模擬套拱的加固時(shí)機(jī)，追蹤套拱加固前原結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)，隧道前、后面施加水平約束，研究偏壓荷載作用下斷面扁平隧道結(jié)構(gòu)加固前后受力損傷演化機(jī)制與疊合式套拱結(jié)構(gòu)加固效果。

圖3 隧道斷面尺寸(單位：m)

2.2 模型參數(shù)

表1 力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3 扁平隧道結(jié)構(gòu)破壞及裂縫擴(kuò)展過程分析

3.1 扁平隧道結(jié)構(gòu)破壞分析

偏壓荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為左拱腰斜向壓縮，左邊墻、右拱腰向外擴(kuò)張的變形形態(tài)，如圖4所示，鋼筋發(fā)生屈服時(shí)，隧道左拱腰部位沉降為63.66mm，邊墻收斂為17.84mm。

圖4 隧道結(jié)構(gòu)變形

荷載與混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5所示，隨著荷載增加，隧道左拱腰內(nèi)側(cè)、左邊墻外側(cè)、右拱腰外側(cè)等部位混凝土依次達(dá)到抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂；隨后，左拱腰外側(cè)、左邊墻內(nèi)側(cè)、右拱腰內(nèi)側(cè)、右拱腳內(nèi)側(cè)等部位混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度發(fā)生屈服。

圖5 荷載與混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)系曲線

結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)受力變形特征，隧道破壞過程總體可分為結(jié)構(gòu)彈性變形階段、隧道左拱腰內(nèi)側(cè)開裂～左拱腰外側(cè)壓屈、隧道左拱腰外側(cè)壓屈～右拱腳內(nèi)側(cè)壓屈及隧道右拱腳內(nèi)側(cè)壓屈～隧道結(jié)構(gòu)鋼筋屈服4個(gè)階段(見圖6)。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力

3.2 扁平隧道結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展過程分析

扁平隧道結(jié)構(gòu)偏壓荷載與裂縫擴(kuò)展關(guān)系曲線如圖7所示，結(jié)合鋼筋受力過程與裂縫擴(kuò)展特征，可將裂縫擴(kuò)展分為無裂縫的彈性受力、裂縫沿深度方向快速擴(kuò)展、裂縫緩慢擴(kuò)展～結(jié)構(gòu)壓屈及裂縫快速張開～結(jié)構(gòu)破壞4個(gè)階段。

圖7 荷載與裂縫擴(kuò)展關(guān)系曲線

4 扁平隧道結(jié)構(gòu)疊合式套拱加固效果分析

4.1 套拱加固前后變形特性對(duì)比分析

從結(jié)構(gòu)安全角度考慮，以左拱腰內(nèi)側(cè)鋼筋抗拉強(qiáng)度達(dá)到400MPa時(shí)的外部荷載作為原結(jié)構(gòu)的破壞荷載，為950kPa，取原結(jié)構(gòu)破壞荷載的50%(中等破損狀態(tài))作為加固點(diǎn)對(duì)比分析加固前后隧道結(jié)構(gòu)的變形特性。套拱加固前后隧道結(jié)構(gòu)整體均表現(xiàn)為左拱腰斜向壓縮，左邊墻、右拱腰向外擴(kuò)張的變形形態(tài)，套拱加固前后隧道結(jié)構(gòu)變形曲線如圖8所示。

圖8 套拱加固前后結(jié)構(gòu)變形曲線

由圖8可知，未進(jìn)行套拱加固前，原結(jié)構(gòu)與套拱加固結(jié)構(gòu)左拱腰沉降曲線及邊墻收斂曲線完全重合，套拱加固時(shí)，原結(jié)構(gòu)左拱腰內(nèi)側(cè)裂縫深度為22.5cm，沉降24.6mm，邊墻收斂8.2mm，左邊墻內(nèi)側(cè)開始出現(xiàn)壓屈現(xiàn)象，隨后原結(jié)構(gòu)的變形斜率逐漸增大，沉降速率為0.068mm/kPa，結(jié)構(gòu)剛度逐漸減小，套拱加固結(jié)構(gòu)沉降速率為0.024mm/kPa，相同荷載作用下，套拱加固結(jié)構(gòu)變形速率相比于原結(jié)構(gòu)減小64.7%，套拱加固后鋼筋屈服時(shí)左拱腰沉降為90.1mm，邊墻收斂為29.4mm。

4.2 套拱加固前后受力特性與破壞過程對(duì)比分析

套拱加固前后隧道結(jié)構(gòu)混凝土壓應(yīng)力曲線如圖9所示，套拱加固前，套拱加固結(jié)構(gòu)左拱腰外側(cè)、右拱腰內(nèi)側(cè)及右拱腳內(nèi)側(cè)混凝土壓應(yīng)力曲線與原結(jié)構(gòu)完全重合；套拱加固后，相比于原結(jié)構(gòu)在相同荷載作用下加固結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力明顯降低，右拱腰內(nèi)側(cè)壓屈荷載由535kPa提高至1 621kPa，右拱腳內(nèi)側(cè)壓屈荷載由835kPa提高至1 840kPa。

圖9 套拱加固前后隧道結(jié)構(gòu)混凝土壓應(yīng)力曲線

隧道結(jié)構(gòu)的破壞順序由原來的隧道左拱腰外側(cè)、左邊墻內(nèi)側(cè)、右拱腰內(nèi)側(cè)、右拱腳內(nèi)側(cè)依次發(fā)生屈服轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼雷蠊把鈧?cè)壓屈、左邊墻內(nèi)側(cè)屈服、套拱左拱腰內(nèi)側(cè)開裂、套拱鋼筋受拉屈服、右拱腰內(nèi)側(cè)壓屈，套拱在結(jié)構(gòu)承載和破壞機(jī)制上發(fā)揮了重要作用。

偏壓荷載作用下，套拱加固前后隧道結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力曲線如圖10所示。由圖10可知，原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力主要分為緩慢增長、快速增長、屈服3個(gè)階段，套拱加固后鋼筋應(yīng)力分為緩慢增長、快速增長、應(yīng)力調(diào)整與屈服4個(gè)階段。

圖10 套拱加固前后隧道結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力曲線

分析其原因，主要是因?yàn)樵Y(jié)構(gòu)開裂前，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，原結(jié)構(gòu)開裂后，裂縫沿深度方向快速擴(kuò)展，裂縫寬度隨著深度的增加而減小，結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度主要由鋼筋承受，鋼筋應(yīng)力迅速增加，隨著外部荷載的增加，鋼筋發(fā)生屈服；套拱加固后，結(jié)構(gòu)外部荷載由隧道結(jié)構(gòu)與套拱共同承受，原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力相比于加固前增加速率明顯減小，左拱腰內(nèi)側(cè)套拱鋼筋應(yīng)力快速增加，結(jié)構(gòu)整體剛度明顯提高。

4.3 套拱加固前后承載性能與破壞形態(tài)對(duì)比分析

偏壓荷載作用下，扁平隧道結(jié)構(gòu)加固前后破壞狀態(tài)如圖11所示。由圖11可知，隧道結(jié)構(gòu)加固前后破壞形態(tài)基本一致，隧道襯砌整體上表現(xiàn)為“左拱腰向內(nèi)塌陷，左邊墻、右拱腰向外擴(kuò)張”的破壞形態(tài)。左拱腰內(nèi)側(cè)、左邊墻外側(cè)及右拱腰外側(cè)是決定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞的關(guān)鍵控制部位，應(yīng)加強(qiáng)這3個(gè)部位的配筋，提高偏壓荷載結(jié)構(gòu)的承載力。

圖11 隧道結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)

原結(jié)構(gòu)破壞時(shí)裂縫深度為22.5cm，裂縫表現(xiàn)為“Λ”形態(tài)，疊合式套拱結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，首先表現(xiàn)為套拱裂縫貫通達(dá)30cm，然后套拱鋼筋、原結(jié)構(gòu)鋼筋相繼發(fā)生屈服，套拱加固后的原結(jié)構(gòu)裂縫也呈現(xiàn)“Λ”形態(tài)，張開度比未加固結(jié)構(gòu)小。

套拱加固前后隧道結(jié)構(gòu)承載性能對(duì)比分析如表3所示，套拱加固后破壞荷載1 946kPa，是原結(jié)構(gòu)破壞荷載的2.04倍，套拱加固后結(jié)構(gòu)承載力大幅度提高，有效改善了原結(jié)構(gòu)的承載性能，套拱加固效果明顯。

表3 套拱加固前后承載性能對(duì)比分析

5 結(jié)語

依托浙江白陽山運(yùn)營隧道洞口段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件研究了偏壓荷載作用下斷面扁平隧道結(jié)構(gòu)加固前后受力損傷演化機(jī)制，對(duì)比分析了隧道結(jié)構(gòu)套拱加固的承載性能與加固效果，得到以下結(jié)論。

1)偏壓荷載作用下，套拱加固前后隧道均表現(xiàn)為“左拱腰向內(nèi)塌陷，左邊墻、右拱腰向外擴(kuò)張”的破壞形態(tài)，左拱腰內(nèi)側(cè)、左邊墻外側(cè)及右拱腰外側(cè)是決定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞的關(guān)鍵控制部位，結(jié)構(gòu)破壞過程依次是隧道左拱腰內(nèi)側(cè)、左邊墻外側(cè)、右拱腰外側(cè)等部位混凝土依次達(dá)到抗拉強(qiáng)度發(fā)生開裂，隨后左拱腰外側(cè)、左邊墻內(nèi)側(cè)、右拱腰內(nèi)側(cè)等部位混凝土受壓發(fā)生屈服，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去承載力發(fā)生破壞。

2)套拱加固后，結(jié)構(gòu)外部荷載由隧道結(jié)構(gòu)與套拱共同承受，原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力相比于加固前增加速率明顯減小，套拱內(nèi)鋼筋應(yīng)力快速增加，套拱結(jié)構(gòu)裂縫張開度比未加固結(jié)構(gòu)小，裂縫寬度隨著深度的增加而減小，呈現(xiàn)“Λ”形態(tài)。

3)取原結(jié)構(gòu)破壞荷載的50%(中等破損狀態(tài))作為加固點(diǎn)，套拱加固后，結(jié)構(gòu)沉降速率為0.024mm/kPa，相比于原結(jié)構(gòu)變形速率減小64.7%，結(jié)構(gòu)剛度明顯提高，疊合式套拱加固結(jié)構(gòu)是原結(jié)構(gòu)破壞荷載的2.04倍，套拱加固后結(jié)構(gòu)承載力大幅度提高，有效改善了原結(jié)構(gòu)的承載性能，套拱加固效果顯著。

本文分析了偏壓荷載作用下斷面扁平隧道結(jié)構(gòu)加固前后受力損傷演化機(jī)制與疊合式套拱結(jié)構(gòu)加固效果，針對(duì)套拱加固結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算方法還有待進(jìn)一步研究，后續(xù)結(jié)合模型試驗(yàn)開展研究。