賀曉銘,張好旗,張 班,閆正冶

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,河南 鄭州 450000)

襯砌裂損是隧道中最常見且最易造成不利影響的病害之一[1]。襯砌裂縫不僅會影響隧道的使用,還會在滲水、應(yīng)力、低溫等因素下導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的裂損,進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。李洪建[2]定義了安全系數(shù)衰減率指標(biāo),建立了帶裂縫襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價方法和標(biāo)準(zhǔn)。鐘毅[3]在基于裂損程度與襯砌結(jié)構(gòu)承載能力變化基礎(chǔ)上,提出了基于襯砌結(jié)構(gòu)裂損裂縫深度為指標(biāo)的安全評價方法。余順等[4]根據(jù)高寒地區(qū)某隧道裂縫的調(diào)查結(jié)果,通過裂縫尖端的穩(wěn)定系數(shù)判定襯砌結(jié)構(gòu)安全性,并提出具體加固方案。張曉東等[5]對某公路隧道裂縫分類統(tǒng)計基礎(chǔ)上,從地質(zhì)、設(shè)計、施工等方面分析裂縫成因,采取相應(yīng)防裂對策。張成良等[6]通過對某偏壓連拱隧道裂縫段進(jìn)行應(yīng)力、位移的監(jiān)測,結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件、施工工藝、裂縫分布規(guī)律確定聯(lián)合加固處理措施。孫雪菲[7]針對茍家溝隧道壓剪型襯砌裂縫,提出基于板式短錨組合結(jié)構(gòu)的快速微創(chuàng)修繕技術(shù)。潘岳等[8]對UHPC加固裂損隧道襯砌的可行性進(jìn)行分析,并對裂損襯砌和加固層的共同受力機制進(jìn)行研究。盧峰等[9]對裂損襯砌網(wǎng)-錨、板-錨輕型快速微創(chuàng)組合加固結(jié)構(gòu)的全過程力學(xué)特性進(jìn)行試驗研究。王秀麗[10]通過對某巖質(zhì)隧道襯砌表面裂縫及背后缺陷進(jìn)行統(tǒng)計分析,并通過數(shù)值計算和方案比選,得出隧道襯砌裂損快速修補方案。以上針對襯砌結(jié)構(gòu)安全評價方法、巖質(zhì)隧道裂縫處理措施、加固結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了研究,目前對于偏壓黃土隧道襯砌裂損原因和加固處理方案研究較少。本文依托某穿越陡坎地形的偏壓黃土隧道工程,根據(jù)襯砌典型裂損段落和地表裂縫調(diào)查結(jié)果,基于數(shù)值模擬分析裂損原因及襯砌安全評價,提出了加筋肋網(wǎng)噴混凝土、釬釘網(wǎng)噴高延性水泥基復(fù)合材料、釬釘網(wǎng)噴混凝土3種加固處理方案,同時建立了損傷系數(shù)、截面內(nèi)力、強度安全系數(shù)綜合評價體系進(jìn)行比選,提出了最佳加固處理方案,為類似黃土隧道襯砌裂損加固處理提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

某隧道為雙向四車道分離式隧道,設(shè)計速度為80 km/h。隧道開挖寬度為12.68 m,高度為10.17 m,斷面面積為101.06 m2。左右線起訖樁號為ZK89+660～ZK93+116(YK89+681～YK93+121),線間距約為45 m。隧道右線出口段圍巖為第四系上更新統(tǒng)地層,上部覆蓋層為黃土狀粉土,稍密～中密狀,具濕陷性,濕陷性等級為Ⅱ級,局部夾中密狀粉土,土質(zhì)均勻,洞身為可塑-硬塑狀粉質(zhì)黏土層(見圖1),圍巖等級為Ⅴ級。

1.2 隧址地形地貌

隧址區(qū)屬黃土丘陵-黃土梁地貌,地形起伏不平,沖溝發(fā)育,溝谷深切。YK92+500～640為陡坎急劇變化段落,隧道埋深從161 m降為62 m,上部坡度約為61°,中部坡度約為47°,底部坡度約為29°。洞身YK92+640～700為一處沖溝溝谷,溝深10～25 m,從右線上方斜交至左線左側(cè),逐漸繞到與隧道正交的臺塬下方位置,溝內(nèi)巖土體主要為堆積土和黃土狀粉土。隧道穿越陡坎地形及沖溝導(dǎo)致YK92+620～850段為地形偏壓段落,且右線地勢高于左線(見圖2)。

1.3 典型襯砌裂損病害段落

YK92+724～748段落經(jīng)現(xiàn)場襯砌裂縫檢測統(tǒng)計,右側(cè)拱腰至邊墻存在大量縱向貫通裂縫,尤其在邊墻中部存在3～4條相鄰縱向裂縫且已發(fā)展出1 mm寬的連通裂縫,縱向裂縫寬度最大為2～3 mm,深度最大為16 cm。左側(cè)拱腰至邊墻存在大量縱向及斜向裂縫,裂縫寬度多在1 mm以內(nèi)。拱部存在一條環(huán)向貫通裂縫,裂縫寬度為1～1.5 mm。YK92+732處拱頂壓潰區(qū)域呈近似橢圓形,沿隧道縱向約20 cm,沿橫向約15 cm,沿徑向壓潰深度約5 cm,壓潰區(qū)中心可見內(nèi)層環(huán)向主筋受壓呈尖角形向洞內(nèi)突出。

2 偏壓黃土隧道襯砌裂損分析

2.1 有限元計算模型及材料參數(shù)選取

選取典型裂損斷面YK92+732,采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行二維數(shù)值模型分析(見圖3)。在地表布設(shè)9個測點進(jìn)行空間位移監(jiān)測,數(shù)據(jù)顯示,2019年4月21日至5月23日期間,最大位移為34.8 cm,最小位移為1.5 cm,各測點位移方向顯示周邊土體向隧道中心移動,地表呈漏斗狀沉陷。在5月8日大雨過后,右線YK92+725右邊墻縱向裂縫寬度達(dá)到2 mm,YK92+730右邊墻縱向裂縫寬度達(dá)到1.5 mm。因此,在隧道上部另設(shè)土體軟化區(qū)域,軟化區(qū)域由隧道左右邊墻開始,沿與豎向呈15°夾角朝地面延伸。為保證模型邊界不受隧道開挖影響,模型左右以及下部邊界與隧道外輪廓距離大于5倍洞徑。邊界條件為兩側(cè)水平約束,底部固定約束。圍巖和支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)參考《公路隧道設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行取值(見表1)。對于軟化區(qū)域內(nèi)土體參數(shù),基于有限元強度折減法降低黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ,取原參數(shù)80%和60%兩種工況(見表2)。假定圍巖符合理想彈塑性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,二次襯砌按混凝土塑性損傷模型考慮采用實體單元,初期支護采用線彈性梁單元進(jìn)行等效模擬?；炷了苄該p傷模型假定混凝土材料主要因拉伸開裂和壓縮破壞而裂損,受拉和受壓的損傷狀態(tài)由兩個獨立的硬化變量來描述。當(dāng)混凝土試件從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的軟化段上卸載時,卸載段被軟化表明材料彈性剛度發(fā)生損傷,通過兩個損傷系數(shù)dt和dc表示。損傷系數(shù)取值范圍從0(無損材料)到1(完全損傷材料)。

表1 圍巖和支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

表2 各工況軟化區(qū)域土體物理力學(xué)參數(shù)

圖3 斷面有限元模型

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

2.2.1 上覆土地表裂縫分析

圖4為擴展有限元(XFEM)二維數(shù)值模擬YK92+732斷面上覆土地表開裂情況。由圖4可見,由于隧道上部存在軟化區(qū)域,造成斷面鄰近沖溝區(qū)域附近出現(xiàn)3條地表裂縫,這些裂縫均由地表沿豎向延伸發(fā)育,且與隧道在投影面上距離分別為70.3 m、74.5 m及116 m。圖5為現(xiàn)場實際地表裂縫調(diào)查結(jié)果,可觀察到Y(jié)K92+732斷面處在地表裂縫集中發(fā)展區(qū),其直接與3號、4號、5號3條裂縫相接,現(xiàn)場踏勘在相接處存在劇烈的錯臺現(xiàn)象,錯臺高度可達(dá)5～15 cm。通過對比分析,數(shù)值模型計算所得隧道上覆土地表開裂情況可近似代替實際地表裂縫位置,自左向右分別對應(yīng)現(xiàn)場3號、4號、5號地裂縫。沖溝地形雨水匯集下滲作用使溝底堆積土松散,且土體具有濕陷性,上覆土體不穩(wěn)定,洞內(nèi)變形加劇,地表產(chǎn)生裂縫。

圖4 擴展有限元計算上覆土開裂情況

圖5 地表裂縫現(xiàn)場檢測結(jié)果

2.2.2 襯砌裂損分析

工況一、工況二襯砌裂損云圖如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以看出,襯砌左、右拱腳至邊墻部位內(nèi)表面存在明顯拉伸斷裂損傷區(qū)域,且襯砌右邊墻拉伸斷裂區(qū)域較左邊墻更為嚴(yán)重,斷裂區(qū)域更大,襯砌拱頂中部內(nèi)表面存在壓縮損傷區(qū)域。工況一邊墻襯砌最大拉伸損傷系數(shù)為0.940,最大開裂深度為8 cm,拱頂襯砌最大壓縮損傷系數(shù)為0.930(拱頂中部),混凝土壓潰深度為7 cm。工況二邊墻襯砌拉伸斷裂和拱頂壓潰區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展,邊墻襯砌最大拉伸損傷系數(shù)為0.950(右邊墻),最大開裂深度為14 cm,拱頂襯砌最大壓縮損傷系數(shù)為0.970,混凝土壓潰深度為15 cm。襯砌拱頂、拱腳至邊墻內(nèi)表面多處連續(xù)區(qū)域均出現(xiàn)斷裂拉伸損傷系數(shù)大于0.900的情況,說明隧道拱頂出現(xiàn)混凝土壓潰、拱腳至邊墻區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)襯砌拉伸開裂破壞。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示邊墻兩側(cè)裂縫位置較為對稱,右側(cè)裂損程度較左側(cè)嚴(yán)重(見圖8)。通過數(shù)值分析與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果對比分析,襯砌裂損位置與現(xiàn)場實際開裂位置較為一致,證明數(shù)值模型可以較好地反映現(xiàn)場實際襯砌裂損情況。

(a)拉伸斷裂損傷云圖

(b)壓縮損傷云圖圖6 工況一襯砌裂損云圖

(a)拉伸斷裂損傷云圖

(b)壓縮損傷云圖圖7 工況二襯砌裂損云圖

圖8 斷面襯砌開裂現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果

2.3 襯砌安全性評價

為對襯砌斷面安全性進(jìn)行評價,選取襯砌斷面拱頂、拱腰、拱腳和墻腳作為典型部位(見圖9),計算典型部位截面內(nèi)力和強度安全系數(shù)[11]。結(jié)合地表裂縫和襯砌裂損分析結(jié)果可知,YK92+500～640段落隧道埋深降低近百米,且地形沿隧道走向偏壓嚴(yán)重,導(dǎo)致右洞洞周地層應(yīng)力較大。黃土垂直節(jié)理發(fā)育,加上洞身上方溝谷地形雨水匯集放大土體濕陷作用,地表覆土和洞內(nèi)圍巖變形難以控制,導(dǎo)致地應(yīng)力進(jìn)一步釋放,襯砌拱頂和邊墻內(nèi)力加大,使襯砌混凝土劣化變形裂損。工況一、工況二典型部位截面內(nèi)力和強度安全系數(shù)如表3所示?；炷吝_(dá)到抗壓極限強度時強度安全系數(shù)為1.7,混凝土達(dá)到抗拉極限強度時強度安全系數(shù)為2.0,由表3可知襯砌拱頂、拱腳部位截面強度安全系數(shù)均不滿足要求,該斷面襯砌結(jié)構(gòu)安全性已無法保障,需進(jìn)行維修加固。

表3 各工況典型部位截面內(nèi)力和強度安全系數(shù)

圖9 斷面典型部位截面示意圖

3 襯砌加固處理方案比選

3.1 加固處理方案設(shè)計

方案一(加筋肋網(wǎng)噴混凝土):①原襯砌裂損表面鑿毛處理,深度需大于1 cm;②沿裂縫兩側(cè)交替打設(shè)直徑25 mm中空注漿錨桿;③沿錨桿環(huán)向設(shè)置4根φ22鋼筋加筋肋,采用錨釘與既有襯砌連接;④沿最下排錨桿設(shè)置2根φ22鋼筋連接;⑤襯砌徑向植入φ6鋼筋網(wǎng),采用鋼筋錨釘與裂損襯砌固定;⑥噴射12 cm厚C25混凝土。

方案二(釬釘網(wǎng)噴高延性水泥基復(fù)合材料):①②同方案一;③襯砌徑向植入φ6鋼筋網(wǎng),采用鋼筋錨釘與裂損襯砌固定;④襯砌裂損表面噴涂5 cm厚的1.2%纖維參量SHCC材料,加固層分4～5次施作,每次噴射厚度1～2 cm。

方案三(釬釘網(wǎng)噴混凝土):①原襯砌裂損表面鑿毛處理,深度大于1 cm;②在缺陷、鑿毛區(qū)域中植入φ16全長黏結(jié)鋼筋纖釘,間距30 cm,梅花形布置,植入深度為原襯砌設(shè)計厚度的1/2;③掛設(shè)雙層φ6鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)與植筋焊接牢固;④噴射12 cm厚的C25混凝土。

3.2 有限元計算模型及材料參數(shù)選取

加固層沿隧道環(huán)向布設(shè)(見圖10)。為研究裂損襯砌加固補強效果,取工況二模型參數(shù)進(jìn)行驗算。方案一和方案三采用平面應(yīng)變模型,數(shù)值模擬基于地層-結(jié)構(gòu)法。噴射混凝土采用梁單元,二次襯砌采用基于CDP模型的實體單元,加筋肋采用梁單元。加筋肋的彈性行為通過彈性模量和泊松比確定,塑性行為通過屈服應(yīng)力和相應(yīng)的塑性應(yīng)變進(jìn)行確定,假定加筋肋是具有應(yīng)力-應(yīng)變曲線的雙線性彈塑性材料(見圖11)。方案一、方案三材料物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 方案一、三材料物理力學(xué)參數(shù)

圖10 襯砌加固區(qū)范圍

圖11 加筋肋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對于HPSHCC材料,由于應(yīng)變局部化發(fā)生在混凝土加固層(SHCC)中,為有效模擬SHCC的單軸拉伸行為,方案二采用三折線模型(見圖12)。點A、B、C分別對應(yīng)于初始裂紋、峰值應(yīng)力、最小應(yīng)力的不同應(yīng)力位置。點A的應(yīng)力和應(yīng)變與SHCC在單軸拉伸行為下相同。點B的應(yīng)力由拉伸行為獲得,應(yīng)變由最大應(yīng)力除局部區(qū)域長度(Lloc)對應(yīng)的位移(δB)進(jìn)行定義。點C的應(yīng)變由峰后的斷裂能定義,等于峰后的應(yīng)力-位移關(guān)系面積。點A、B參數(shù)可從室內(nèi)試驗結(jié)果得到,點C應(yīng)力為0,其應(yīng)變通過斷裂能計算可得,公式為

圖12 HPSHCC三折線模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

式中:εB為B點應(yīng)變;σB為B點應(yīng)力;Lelm為單位尺寸;Gf為峰后斷裂能。

數(shù)值模型中SHCC材料彈性模量采用29.0 GPa,斷裂能為83.9 N/mm。其他模型尺寸和參數(shù)與前述一致,A、B、C 3點應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值見表5。

表5 方案二材料三折線模型參數(shù)

3.3 數(shù)值結(jié)果分析

方案一、方案二、方案三加固后襯砌裂損云圖如圖13～圖15所示。與圖7加固前襯砌裂損云圖相比,襯砌拱部裂損范圍明顯變小,且各方案襯砌加固后均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。各方案襯砌邊墻拉伸斷裂最大損傷系數(shù)分別為0.181、0.273、0.340,與加固前對比分別下降81%、71%、64%。各方案襯砌拱頂壓縮最大損傷系數(shù)分別為0.104、0.154、0.359,與加固前對比分別下降89%、84%、63%。各方案襯砌拱頂壓縮損傷區(qū)域最大壓應(yīng)力分別為10.4 MPa、11.6 MPa、26.3 MPa,未超過C30混凝土單軸抗壓強度,表明襯砌拱頂部位未出現(xiàn)混凝土壓潰現(xiàn)象。方案一加固層最大壓應(yīng)力為88 MPa,未超過加筋肋屈服強度。方案二加固層最大拉應(yīng)力為3.28 MPa,最大壓應(yīng)力為18.8 MPa,均未超過HPSHCC材料極限抗拉強度和極限抗壓強度。方案三加固層最大壓應(yīng)力為126 MPa,未超過鋼筋網(wǎng)屈服強度。通過數(shù)值計算結(jié)果表明,各方案加固層均能滿足材料強度要求,大幅度降低襯砌損傷系數(shù),減少襯砌損傷區(qū)域,提高裂損襯砌承載力。

(a)拉伸斷裂損傷云圖

(b)壓縮損傷云圖圖13 方案一加固后襯砌裂損云圖

(a)拉伸斷裂損傷云圖

(b)壓縮損傷云圖圖14 方案二加固后襯砌裂損云圖

(a)拉伸斷裂損傷云圖

(b)壓縮損傷云圖圖15 方案三加固后襯砌裂損云圖

3.4 方案綜合比選

各方案加固后典型部位截面內(nèi)力和強度安全系數(shù)如表6所示,與表3工況二加固前各數(shù)據(jù)對比分析可知,各方案加固后襯砌結(jié)構(gòu)受力較原裂損襯砌均減小,結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)均增大,安全度明顯提高,均能有效恢復(fù)裂損襯砌結(jié)構(gòu)承載力。取斷面拱頂、拱腳部位作為加固處理效果評價依據(jù)。分析拱頂部位A處,各方案加固后襯砌截面軸力較未加固時分別下降49%、43%、18%;襯砌截面彎矩較未加固時分別下降70%、63%、42%;襯砌結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)較未加固時分別提高6.21倍、5.05倍、2.92倍。分析右拱腳部位C處,各方案加固后襯砌截面軸力較未加固時分別下降49%、41%、18%;襯砌截面彎矩較未加固時分別下降52%、48%、30%;襯砌結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)較未加固時分別提高11.79倍、10.75倍、7.64倍。分析左拱腳部位F處,各方案加固后襯砌截面軸力較未加固時分別下降26%、21%、11%;襯砌截面彎矩較未加固時分別下降46%、41%、24%;襯砌結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)較未加固時分別提高1.34倍、1.16倍、0.73倍。從拱頂、拱腳典型部位處治效果分析:方案一>方案二>方案三。此外,方案三加固后拱腳部位結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)分別為2.42、2.41,富裕度較低。對于受力最大部位左拱腳截面軸力、彎矩和強度安全系數(shù),方案二分別是方案一的1.07倍、1.09倍和0.92倍,方案一與方案二加固后典型部位結(jié)構(gòu)受力、強度安全系數(shù)相差不大。方案二加固層厚度對隧道凈空空間侵占更少,施工工藝對原受損襯砌擾動較小且SHCC材料對襯砌表面具有表面保護、自愈合、耐腐蝕等可持續(xù)功能[12],故推薦采用釬釘網(wǎng)噴高延性水泥基復(fù)合材料加固方案。

表6 各方案加固后典型部位截面內(nèi)力和強度安全系數(shù)

4 結(jié)論

依托某穿越陡坎地形的偏壓黃土隧道工程,基于現(xiàn)場裂縫調(diào)查、地表監(jiān)測、數(shù)值模擬,對典型襯砌裂損段落進(jìn)行分析與研究,綜合襯砌安全評價和加固處理措施,得出以下結(jié)論:

(1)地形、地質(zhì)、地表水下滲對偏壓黃土隧道圍巖變形影響較大。其中沖溝處地下水滲流導(dǎo)致圍巖強度弱化,陡坎地形和地形偏壓使地應(yīng)力釋放,圍巖變形難以控制,導(dǎo)致襯砌受力變形裂損,產(chǎn)生地表裂縫。

(2)通過對各方案加固后損傷系數(shù)和拱頂、拱腳部位截面軸力、彎矩和強度安全系數(shù)綜合對比分析,其加固處理效果為方案一>方案二>方案三。方案二與方案一相比,拱頂、拱腳部位結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)接近且加固層應(yīng)力較小,HPSHCC材料噴層厚度不足方案一噴混凝土層厚度的一半,侵占隧道空間更少;SHCC材料與普通混凝土相比耐久性能更好。因此,釬釘網(wǎng)噴高延性水泥基復(fù)合材料為偏壓黃土隧道襯砌裂損加固處理最佳方案。