龍騰 李清海

摘要：為探討襯砌后與圍巖松散接觸狀態(tài)對隧道安全性的影響，文章以巴平高速公路隧道為例進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)了松散接觸狀態(tài)對襯砌結(jié)構(gòu)在不同密實(shí)度和不同松散接觸面積下力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：為了保持襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，建議襯砌后回填灌漿的密實(shí)度應(yīng)在80%以上，強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到圍巖強(qiáng)度的50%以上。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌；圍巖松散；隧道結(jié)構(gòu)；密實(shí)度

中圖分類號：U456.3+1 A 42 138 4

0 引言

公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的有效接觸在發(fā)揮結(jié)構(gòu)承載力和確保隧道安全穩(wěn)定運(yùn)行方面起著重要作用［1］。目前，對隧道襯砌后空隙的研究較多。有研究認(rèn)為彈塑性有限元分析可用于探索孔隙的不同尺寸、位置和深度對襯砌變形和應(yīng)力重新分布的影響［2］；有學(xué)者對現(xiàn)有污水管或圓形隧道壁后的侵蝕空隙進(jìn)行了三維（3-D）數(shù)值分析［3］；張治國等［4］進(jìn)行了模型試驗(yàn)，以評估局部接觸損失影響下襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的力學(xué)行為；尹超等［5］還采用了各種無損檢測（NDT）方法來評估襯砌質(zhì)量，同時(shí)對隧道施工的安全性進(jìn)行了全面調(diào)查。

然而，這些研究大多局限于在研究襯砌后的空隙時(shí)，假定襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖不完全接觸。在實(shí)際工程中，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸狀態(tài)是復(fù)雜的，并隨著時(shí)間的推移而變化。由于地下水的作用、開挖不當(dāng)、襯砌后回填灌漿不足等原因［6］，在大多數(shù)情況下，襯砌后留下的小空隙使襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖松動部分接觸，且襯砌后回填灌漿區(qū)的密實(shí)度或強(qiáng)度不足是否對襯砌結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響，需進(jìn)行深入研究。因此，本文主要研究隧道襯砌與圍巖之間的松散接觸對公路隧道安全的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

使用Abaqus v6.14-1軟件（Dassault Systèmes，Providence，RI）用于數(shù)值分析襯砌后接觸狀態(tài)對襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響。數(shù)值模擬中使用的隧道幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。將襯砌結(jié)構(gòu)背面的一部分設(shè)置為松散接觸區(qū)域，根據(jù)非完整的接觸條件，將其與巖體的非完整接觸狀態(tài)劃分成兩類：（1）松散區(qū)域內(nèi)有許多小空隙；（2）松動區(qū)域內(nèi)的巖石或灌漿材料強(qiáng)度不足［7］。

圖1所示為數(shù)值模擬模型。在本研究中，由于主要目的是分析襯砌與圍巖之間松散接觸的影響，襯砌被簡化為一個(gè)整體。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，襯砌的厚度取0.65 m，隧道的深度為18.72 m。為使邊界影響最少，邊界與通道的間距應(yīng)當(dāng)是通道間距的21倍。在本研究中，設(shè)定模型長40 m、寬120 m、高48 m。在隧道中間到橫線的間距是5個(gè)洞長，而在通道的下面和下面的邊界處則是4個(gè)洞高。通過優(yōu)化松散區(qū)及襯砌結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，確保了數(shù)值模擬的精確度?？偣灿?0 344個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格類型是線性六面體元素C3D8。

在襯砌與周邊巖體的交互界面中，采用面-面的接觸方式來研究接觸壓力的變化。用指數(shù)法定義的懲罰性接觸剛度被正常應(yīng)用，庫侖摩擦（摩擦系數(shù)為0.8）被切向應(yīng)用。根據(jù)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，周圍的巖石被認(rèn)為是理想的彈塑性材料。此外，垂直邊界的水平位移被約束，而模型的底部在垂直方向被約束。根據(jù)隧道開挖的程序，選擇地質(zhì)靜力程序來建立初始地質(zhì)靜力場，開挖后襯砌和空隙同時(shí)被激活。

1.2 模型參數(shù)

本研究采用了7個(gè)不同的密實(shí)度（10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%）。對于松散區(qū)巖石的強(qiáng)度不足，通過逐步降低巖石強(qiáng)度參數(shù)來模擬。松散區(qū)域的巖石強(qiáng)度分別被削弱了30%、50%、70%和90%。具體參數(shù)如表1所示。

1.3 工程背景

以廣西巴平高速公路隧道為研究對象。該隧道的施工采用了傳統(tǒng)的鉆爆法。在鉆孔和爆破后，周圍巖石被復(fù)合襯砌所支撐。隧道一開始用近0.1 m厚的噴射混凝土支撐，然后用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌支撐隧道。由于襯砌結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了裂縫，為了維護(hù)隧道結(jié)構(gòu)的安全，對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了質(zhì)量評估。然而，不僅在襯砌結(jié)構(gòu)后面發(fā)現(xiàn)了空隙，還發(fā)現(xiàn)了襯砌結(jié)構(gòu)和周圍巖石之間的松散接觸。襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖之間的不完全接觸狀態(tài)威脅著隧道的運(yùn)行安全。因此，為了研究襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的不完全接觸對襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，選擇了隧道的DK553+418～DK553+434段作為研究對象。該試驗(yàn)段圍巖為軟硬夾層，巖體比較完整；混凝土襯砌的抗壓強(qiáng)度為30 MPa；一級襯砌的厚度為0.15 m，二級襯砌的厚度為0.5 m。

2 隧道襯砌后密實(shí)度不足的影響

2.1 內(nèi)力變化

為探討松散區(qū)密實(shí)度對襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，采用數(shù)值模擬方案。襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律是隨著松散區(qū)的密實(shí)度從0增加到100%進(jìn)行模擬的。當(dāng)密實(shí)度為0時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)不與巖體后部接觸；當(dāng)密實(shí)度為100%時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖密集接觸。

如圖2所示為內(nèi)力隨襯砌后松散區(qū)域的密實(shí)度而變化情況。為了突出變化趨勢，計(jì)算了密集接觸狀態(tài)的內(nèi)力與內(nèi)力之比。提取了襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力，如圖2（a）所示。在隧道拱頂處，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力最大減少約60%。隨著松散區(qū)域密實(shí)度的增加，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力趨向于襯砌后緊密接觸狀態(tài)的內(nèi)力。當(dāng)密實(shí)度＞70%時(shí)，內(nèi)力最大值為2.5 kPa。同時(shí)，提取了襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩，如圖2（b）所示。隨著密實(shí)度的增加，拱頂和拱腰處襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩變化最明顯。隨著松散區(qū)域的密實(shí)度降低，松散區(qū)域內(nèi)部空隙增加，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸狀態(tài)逐漸接近非接觸狀態(tài)（V60D）。而且，在開挖后，由于隧道疏密程度的增大，拱頂?shù)膬?nèi)襯結(jié)構(gòu)會發(fā)生外彎，并且會逐步變薄，而隧道拱腋處襯砌結(jié)構(gòu)向內(nèi)彎曲并增加。當(dāng)密實(shí)度＜70%后，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂處的彎矩相對于密集接觸狀態(tài)增加了約29倍，襯砌結(jié)構(gòu)拱腰處的彎矩增加了約2倍。

如圖3所示為沿襯砌結(jié)構(gòu)縱向平面的內(nèi)力隨松散區(qū)域密實(shí)度的變化情況。軸向力的變化如下頁圖3（a）所示。松散區(qū)域的密實(shí)度越大，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化越小。拱頂處的襯砌結(jié)構(gòu)向內(nèi)彎曲，而松散區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)則隨著密實(shí)度的降低而上移到松散區(qū)域的內(nèi)部。因此，在松散區(qū)域范圍內(nèi)拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力明顯下降。然而，松散區(qū)域外的襯砌結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，只有在距離松散區(qū)域邊緣約4 m處，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力才略有增加。彎矩的變化如圖3（b）所示。與襯砌后面的密集接觸狀態(tài)相比，彎矩的方向沒有改變。由于襯砌結(jié)構(gòu)向外彎曲而產(chǎn)生的負(fù)彎矩隨著松散區(qū)域內(nèi)密實(shí)度的降低而增加，松散區(qū)域?qū)澗刈兓挠绊懛秶s為3 m。

2.2 接觸壓力的變化

襯砌結(jié)構(gòu)和周圍巖石之間的接觸壓力隨著襯砌后松散區(qū)域密實(shí)度的變化而變化，如圖4所示。如圖4（a）所示為沿隧道軸線的接觸壓力的分布。當(dāng)襯砌后松散區(qū)域的密實(shí)度在80%～90%時(shí)，由于存在小的空隙，接觸壓力分布不均勻。當(dāng)密實(shí)度逐漸降低時(shí)，松散區(qū)域內(nèi)的空隙逐漸相互連接，最后形成一個(gè)空洞，這使襯砌結(jié)構(gòu)與周圍巖石不接觸，且進(jìn)一步導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)后面的松散區(qū)域周圍的接觸壓力非線性增加，最大增幅為26%；當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)與巖石非線性接觸后，接觸壓力達(dá)到最大。圖4（b）所示為最大接觸壓力與密實(shí)度之間的關(guān)系。在松散區(qū)周圍3 m范圍內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)的接觸壓力與密實(shí)接觸狀態(tài)相比增加了近50%，而在松散區(qū)內(nèi)部，隨著密實(shí)度的降低，接觸壓力趨向于0。同樣，當(dāng)密實(shí)度＜70%時(shí)，與密實(shí)度＞70%相比，接觸壓力增加了近30%。

3 松動接觸面積的影響

3.1 內(nèi)力變化

為了探討松散接觸面積變化對襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，在隧道拱頂后面設(shè)置了一個(gè)密實(shí)度為50%的松散區(qū)域，分別為V15D、V30D、V45D、V60D和V80D。襯砌結(jié)構(gòu)后面松散接觸區(qū)域的長度和寬度成比例增加，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化如圖5所示。其中，襯砌結(jié)構(gòu)軸向力的變化如圖5（a）所示，隨著松散接觸面積的增加，拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力受到拉伸并逐漸減小，比密集接觸狀態(tài)小約80%。襯砌結(jié)構(gòu)彎矩的變化如圖5（b）所示，與密集接觸狀態(tài)相比，隨著松散接觸區(qū)域的增加，松散接觸區(qū)域內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)彎矩的最大變化是在拱頂和隧道拱腰處，其他位置的變化較小。與襯砌后方空隙的情況類似，拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩向外彎曲，并隨著松散接觸面積的增加而顯著增加。當(dāng)隧道拱腋處襯砌結(jié)構(gòu)后面的松散接觸面積＞25 m2時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩方向發(fā)生變化，襯砌結(jié)構(gòu)從向外彎曲變?yōu)橄騼?nèi)彎曲。

3.2 變形

圖6（a）所示為荷載（100 kPa）下隧道拱頂沿線襯砌結(jié)構(gòu)的變形示意圖。松散區(qū)兩側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨強(qiáng)度的增加而增加；在松軟地區(qū)，因其巖體的受力不如兩邊的巖體，故松散部位的位移較少。AP90條件下，巖體的強(qiáng)度明顯下降，而疏松部位則趨于無接觸。在松動區(qū)的兩端，由于受力的影響，其變形幅度增大。從圖6（b）中可以看出，在混凝土拱橋的受力不足比＞50%時(shí)，拱頂豎直變形坡度增大，對應(yīng)的位移量增大，最大變形量達(dá)到1 255 mm。

4 結(jié)語

襯砌后松散接觸區(qū)強(qiáng)度不足對襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響主要集中在結(jié)構(gòu)的松散接觸區(qū)域內(nèi)。襯砌后的回填灌漿強(qiáng)度應(yīng)在圍巖強(qiáng)度的50%以上，否則將對襯砌結(jié)構(gòu)的安全造成極大的危害，特別是當(dāng)松動區(qū)范圍增大，隧道襯砌逐漸被包圍時(shí)。因此，應(yīng)保證襯砌后面回填灌漿的強(qiáng)度，避免松散的接觸區(qū)被開發(fā)出來并相互連接。

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收稿日期：2023-07-20