何 斌, 蔣雅君, 趙菊梅, 劉基泰, 裴虎強(qiáng)

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 成都 610031)

目前隧道滲漏水仍是一個(gè)難以根治的問題,這給隧道后續(xù)的養(yǎng)護(hù)維修帶來很大困難[1-2]。為了克服或減少隧道存在的防水問題,提高隧道的防水能力,一種新型的噴膜防水技術(shù)近年來快速發(fā)展[3-5]。該技術(shù)采用噴膜防水材料聚合形成的致密防水層來代替防水板,從而使防水層與2層襯砌結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成整體結(jié)構(gòu),在國際上被稱為CSL結(jié)構(gòu)(Composite Shell Lining)[6-8]。由于其具有良好的防水性能和協(xié)同受力特性,已在眾多國家的隧道中得到應(yīng)用[9-12]。

迄今為止,對CSL結(jié)構(gòu)的研究主要集中在界面的力學(xué)性能、CSL梁構(gòu)件的復(fù)合作用程度及CSL結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性方面[13-16]。另外,適宜噴涂防水材料的種類越來越多,其物理力學(xué)特性也逐漸受到較多的關(guān)注。Su Jiang等[17]按防水材料的成分將其分成了乙烯醋酸乙烯酯(EVA)水基、甲基丙烯酸酯反應(yīng)樹脂基及丁苯橡膠(SBR)聚合物基3類,并調(diào)研了每種防水膜的特性。Ulrike Pelz等[18]總結(jié)歸納了各種噴涂防水膜的材料特性,結(jié)果表明各種防水膜產(chǎn)品在反應(yīng)和固化速率、對水分的敏感性、吸水性及膨脹性等方面存在很大差異。以上研究總結(jié)和歸納了部分噴涂防水材料的特性,但不同噴涂防水膜的界面參數(shù)對噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面產(chǎn)生的影響尚未開展系統(tǒng)研究。

為此,基于國內(nèi)外地下工程中常用的噴涂防水材料調(diào)研,本文建立了隧道噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型,分析了不同防水膜的界面參數(shù)對襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,以供隧道噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和推廣參考。

1 防水膜計(jì)算界面參數(shù)擬定

在對國內(nèi)外地下工程中常用噴涂防水材料及其相關(guān)性能參數(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上,根據(jù)粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行分類,并確定每類防水膜的計(jì)算界面參數(shù)。

1.1 噴涂防水材料及其參數(shù)調(diào)研

調(diào)研所得到的國內(nèi)外地下工程中常用的噴涂防水材料及其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1和表2所示。表1、表2中所統(tǒng)計(jì)的粘結(jié)強(qiáng)度都是指防水材料與干燥基面的粘結(jié)強(qiáng)度。

表1 國內(nèi)常用防水涂料及其物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 國外常用防水涂料及其物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 防水膜界面參數(shù)調(diào)研

目前國內(nèi)外學(xué)者對上述部分防水膜的界面參數(shù)通過試驗(yàn)進(jìn)行了測試,何雨帝[19]對含有聚合物水泥防水涂層的CSL混凝土試塊進(jìn)行粘結(jié)拉伸和剪切試驗(yàn),得到3 mm厚防水膜的界面參數(shù),如表3所示。根據(jù)上述測試方法,筆者對北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司提供的隧道工程聚合物噴膜防水材料也進(jìn)行了測試,計(jì)算得到如表4所示的界面參數(shù)[5]。

表3 聚合物水泥防水涂料界面參數(shù)

表4 東方雨虹新型防水涂料界面參數(shù)

此外,國外部分學(xué)者也對隧道噴膜防水材料的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測試。Su Jiang等[20]通過CSL混凝土試塊的拉伸和剪切試驗(yàn)得到該防水膜的界面法向剛度Kn=4 MPa/mm,切向剛度Ks=2 MPa/mm;Holter等[6]使用EVA共聚物與一定量的水泥粉料配置形成新型EVA防水涂料,對2種不同聚合物含量的防水膜進(jìn)行了研究,其界面參數(shù)如表5所示。

表5 挪威學(xué)者所用防水膜界面參數(shù)

上述調(diào)研發(fā)現(xiàn),防水材料種類繁多,防水膜界面參數(shù)各異。單從數(shù)值上來看:防水膜的粘結(jié)剛度約為粘結(jié)強(qiáng)度的1.5倍,剪切強(qiáng)度約為粘結(jié)強(qiáng)度的0.5倍～0.7倍,剪切剛度約為剪切強(qiáng)度的0.5倍;而各類防水膜的粘結(jié)破壞能和剪切滑移能的數(shù)值文獻(xiàn)中能查到的不多,其規(guī)律暫不明確。

1.3 防水膜界面參數(shù)分類

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可按照粘結(jié)強(qiáng)度(fbond)將調(diào)研的噴涂防水材料(表1及表2)分為4種類型:Ⅰ型(0.2 MPa≤fbond<0.5 MPa);Ⅱ型(0.5 MPa≤fbond<1 MPa);Ⅲ型(1 MPa≤fbond<1.5 MPa);Ⅳ型(fbond>1.5 MPa)。由于目前尚未有明確的劃分標(biāo)準(zhǔn),因此本文根據(jù)界面參數(shù)之間存在的內(nèi)在關(guān)系,擬定了每一種類型防水膜的計(jì)算界面參數(shù),如表6所示。

表6 各類防水膜計(jì)算界面參數(shù)

目前防水膜界面參數(shù)的測試數(shù)據(jù)較少,本文總結(jié)歸納的防水膜界面參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系可能與實(shí)際結(jié)果存在一定的誤差,但防水膜界面參數(shù)隨防水膜類型的變化規(guī)律是確定的。因此,這些誤差并不會(huì)對噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化規(guī)律產(chǎn)生較大影響。

2 隧道計(jì)算模型建立

根據(jù)前期的研究工作基礎(chǔ)[8,13,16],選用時(shí)速為100 km的高速公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,采用ABAQUS軟件建立噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)基于地層-結(jié)構(gòu)法的數(shù)值計(jì)算模型,計(jì)算分析在不同防水膜界面參數(shù)下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和界面應(yīng)力。

2.1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

Ⅳ級圍巖在實(shí)際工程中比較常見,本文僅對Ⅳ級圍巖條件下的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)[21]選取圍巖物理力學(xué)參數(shù),如表7所示。

表7 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

在數(shù)值模型中計(jì)算時(shí),將初期支護(hù)鋼架采用等效計(jì)算的方法折算給噴射混凝土?；诖撕喕?得到噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)初支及二襯的設(shè)計(jì)參數(shù)和隧道橫斷面,如表8和圖1所示。

單位:cm

表8 支護(hù)參數(shù)

2.3 數(shù)值計(jì)算模型

1) 模型尺寸和邊界條件

建立二維地層—結(jié)構(gòu)模型,模型尺寸及邊界條件如圖2所示,隧道埋深為50 m。隧道底部、左側(cè)及右側(cè)計(jì)算范圍皆取4倍洞徑,頂部取至地表。約束模型左側(cè)和右側(cè)的水平位移;約束底部的水平和豎向位移;地表自由,不約束。

單位:m

2) 初支與二襯的接觸條件

已有研究發(fā)現(xiàn),忽略防水膜的數(shù)值計(jì)算模型并不會(huì)對襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果有很大影響。為此,通過創(chuàng)建基于面與面接觸的內(nèi)聚力行為,模擬初支與二襯間因防水膜產(chǎn)生的粘結(jié)作用[13]。為了模擬襯砌結(jié)構(gòu)界面的應(yīng)力傳遞作用,初支和二襯都用實(shí)體單元,建立的隧道模型如圖3所示。

圖3 噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3) 單元類型和網(wǎng)格編號

圍巖、初支及二襯的單元類型都為四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元,即CPE4;錨桿使用桁架單元進(jìn)行模擬,單元類型為T2D2。為了便于后續(xù)對襯砌的內(nèi)力進(jìn)行分析,對其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了編號,如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)編號

4) 分析步設(shè)置

計(jì)算時(shí)采用軟化模量法模擬隧道開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)施作,即在襯砌施工前將開挖區(qū)域的模量降低,以模擬隧道施工時(shí)的應(yīng)力釋放問題。Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖,一共設(shè)置了9個(gè)分析步:(1) 平衡地應(yīng)力;(2) 將上臺階開挖土體的模量軟化20%;(3) 施作上臺階初支(錨桿+噴層);(4) 將上臺階開挖部分土體的模量再軟化30%;(5) 將下臺階開挖土體的模量軟化20%;(6) 施作下臺階初支(錨桿+噴層);(7) 下臺階開挖部分土體的模量再軟化30%;(8) 施作二襯;(9) 開挖上下臺階的土體。按照上述分析步進(jìn)行計(jì)算,可在二襯施作完成后,再釋放50%的圍巖應(yīng)力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及討論

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

1) 初支與二襯軸力

不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的初支和二襯軸力如圖5和圖6所示。

圖5 不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的初支軸力

圖6 不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的二襯軸力

從圖5可以看出,噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)中初支的軸力從拱頂?shù)窖龉爸胁砍尸F(xiàn)先增后減的趨勢,防水膜類型的變化對初支軸力的影響程度在隧道的不同部位有所差別,但整體上影響不大。從圖6可以看出,防水膜類型的變化對二襯軸力影響較大,且在隧道的不同部位其影響規(guī)律和程度有所不同。在拱頂位置處,只有Ⅰ型防水膜對應(yīng)的二襯軸力較小,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型防水膜對應(yīng)的二襯軸力基本一致;在拱肩和拱腰位置處,隨防水膜型號的增加,二襯軸力逐漸增大;在仰拱位置處,隨防水膜型號的增加,二襯軸力逐漸減小;拱腳位置除29和30號截面外,其余截面的二襯軸力也是隨防水膜型號的增加而逐漸增大。

2) 初支和二襯彎矩

不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的初支和二襯彎矩如圖7和圖8所示。

圖7 不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的初支彎矩

圖8 不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的二襯彎矩

從圖7和圖8可以看出,噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)中初支與二襯彎矩的變化趨勢基本一致,從拱頂?shù)?3號截面前,初支和二襯的彎矩都變化不大,在拱腳和上下臺階分界位置處,出現(xiàn)了彎矩突變的情況,在仰拱中部又降低到原來的水平。初支和二襯的彎矩最大值都出現(xiàn)在拱腳位置處,其中初支彎矩最大值約為75 kN,二襯彎矩最大值約為145 kN。從整體看,初支彎矩隨防水膜類型的增加在大部分截面基本保持不變,僅在仰拱和拱腳的部分位置處有所增大,且二襯彎矩也基本保持不變,僅在拱腳處稍有減小,在仰拱處稍有增大。

綜合前述分析,在噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)中,不同防水膜界面參數(shù)的變化會(huì)對二襯軸力產(chǎn)生顯著影響,但對二襯的彎矩影響不大,這種改變會(huì)使二襯大偏心截面處的偏心距和小偏心截面處的安全系數(shù)發(fā)生變化。

3.2 界面應(yīng)力

不同防水膜類型對應(yīng)的初支與二襯間的法向和切向應(yīng)力如圖9和圖10所示。

圖9 不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的界面法向應(yīng)力

圖10 不同防水膜界面參數(shù)對應(yīng)的界面切向應(yīng)力

從圖9可見,不同防水膜界面參數(shù)的變化對界面法向應(yīng)力影響不大,曲線基本重合。圖10中,不同防水膜界面參數(shù)的變化對界面切向應(yīng)力有較大影響,且在隧道的不同部位影響不同。在拱頂和拱肩處,界面切向應(yīng)力隨防水膜型號的增加而減小;在拱腳和仰拱處,界面切向應(yīng)力隨防水膜型號的增加而增大。最大值位于Ⅳ型防水膜的拱腳位置處,其值約為276 kPa,未達(dá)到界面切向損傷起始應(yīng)力1 250 kPa。

從上述分析結(jié)果來看,不同防水膜類型對界面應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)在切向應(yīng)力上,主要因粘結(jié)強(qiáng)度的差異所致。增大防水膜與混凝土之間的粘結(jié)程度,襯砌結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力作用增大,從而提高了界面的切向應(yīng)力,但對界面的法向應(yīng)力影響有限。

4 結(jié)論

1) 從調(diào)研收集到的各類噴膜防水材料的數(shù)值看,各類防水膜的粘結(jié)剛度約為粘結(jié)強(qiáng)度的1.5倍,剪切強(qiáng)度約為粘結(jié)強(qiáng)度的0.5倍～0.7倍,剪切剛度約為剪切強(qiáng)度的0.5倍。

2) 噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)中,防水膜類型的變化對初支軸力影響較小,從Ⅰ型防水膜到Ⅳ型防水膜,初支軸力逐漸減小,最大減小值約為 103 kN;對二襯軸力影響較大,且二襯軸力隨防水膜粘結(jié)性能的增加在隧道的大部分位置(除仰拱和拱腳的個(gè)別截面外)都是增大的。

3) 防水膜類型的變化對初支和二襯的彎矩及界面法向應(yīng)力影響不大,僅對界面切向應(yīng)力有較大影響,最大界面法向應(yīng)力約為 869 kPa,最大界面切向應(yīng)力約為 276 kPa,各類防水膜條件下界面均未開始產(chǎn)生損傷。

4) 本文研究結(jié)果表明,在Ⅳ級圍巖條件下,常用防噴涂防水膜類型及防水膜界面參數(shù)的變化不會(huì)對襯砌結(jié)構(gòu)的受力和界面應(yīng)力產(chǎn)生較大影響,因此進(jìn)行噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),在防水膜自身不受到損傷的前提下,可弱化考慮不同防水膜因界面參數(shù)的不同對襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。