作者簡介：韋相云（1974—），高級(jí)工程師，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，主要從事高速公路施工、建設(shè)及運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)、經(jīng)營一體化管理及研究工作。

摘要：為評(píng)價(jià)運(yùn)營公路隧道隱伏缺陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，文章依托實(shí)際工程案例，通過無損檢測手段分析了常見的隧道隱伏質(zhì)量缺陷類型，并通過數(shù)值模擬手段，對(duì)缺陷狀態(tài)下的襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了定量化評(píng)價(jià)分析。得到以下結(jié)論：公路運(yùn)營隧道主要隱伏病害為襯砌脫空、襯砌厚度不足、鋼筋保護(hù)層厚度過大等3類；隱伏質(zhì)量缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響按照襯砌脫空、襯砌厚度不足、鋼筋保護(hù)層厚度過大依次降低；組合質(zhì)量缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響非常大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該類病害。

關(guān)鍵詞：隱伏質(zhì)量缺陷；運(yùn)營公路隧道；襯砌結(jié)構(gòu)；安全系數(shù)；安全評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U456.3⁺3

0 引言

公路隧道建設(shè)過程中會(huì)隱伏不同程度的施工質(zhì)量缺陷，在后期運(yùn)營過程中會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全造成一定影響，現(xiàn)階段通過地質(zhì)雷達(dá)探測等無損檢測手段可以提前發(fā)現(xiàn)部分缺陷，但如何評(píng)價(jià)隱伏缺陷對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，一直是困擾隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)人員的難題。

針對(duì)運(yùn)營階段的隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H12-2015）^[1]根據(jù)公路隧道表觀病害給出了定性分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，洪平等^[2]采用層次分析法對(duì)鐵路運(yùn)營隧道健康狀態(tài)進(jìn)行了綜合評(píng)判，李云等^[3]采用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)鐵路隧道襯砌健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，金煜皓等^[4]、胡群芳等^[5]采用模糊層次分析對(duì)隧道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)；林志等^[6]提出了“隧道健康度”和“隧道健康度函數(shù)”的基本概念，建立了一種基于現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況分段式量化評(píng)定方法；Park S.W.等^[7]提出了隧道襯砌結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定的缺陷指標(biāo)法；羅鑫^[8]利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立了公路隧道健康狀態(tài)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型；楊建國等^[9]建立了隧道襯砌結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的熵權(quán)物元評(píng)估模型；劉鵬舉等^[10]利用遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，建立了運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全評(píng)估模型。根據(jù)前人研究成果，層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法、物元分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等評(píng)價(jià)方法均存在主觀性強(qiáng)、評(píng)價(jià)因子多、需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的缺點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)安全系數(shù)來評(píng)價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法更加客觀、直接。目前《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2016）^[11]和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）^[12]中采用基于破損階段法的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓構(gòu)件的檢算方法，以安全系數(shù)是否滿足規(guī)范的規(guī)定值作為評(píng)價(jià)襯砌安全性的指標(biāo)，但該評(píng)價(jià)方法主要是針對(duì)設(shè)計(jì)階段，運(yùn)營階段的隧道結(jié)構(gòu)受力環(huán)境更加復(fù)雜，需要具體情況具體分析。針對(duì)運(yùn)營期隧道病害對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一定研究。周強(qiáng)^[13]研究了公路隧道襯砌背后空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響；張成平等^[14]研究了襯砌背后雙空洞影響下隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)；王華牢等^[15]研究了縱向裂縫對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)；張義紅^[16]采用有限元法研究了病害對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響；鄭陽焱^[17]研究了襯砌裂損對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響；王光勇^[18]通過數(shù)值模擬研究了保護(hù)層厚度缺陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響。

現(xiàn)有成果主要針對(duì)單一缺陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響進(jìn)行研究，鮮有研究組合缺陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，且普遍采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析，無法客觀反映結(jié)構(gòu)缺陷情況，而地層-結(jié)構(gòu)模型更加貼近工程實(shí)際情況。本文依托工程案例，通過無損檢測，對(duì)某隧道襯砌背后缺陷情況進(jìn)行了探測和分類，并針對(duì)常見的組合缺陷情況，通過Midas GTS NX軟件，建立地層-結(jié)構(gòu)模型，對(duì)組合缺陷情況下的運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全情況進(jìn)行了評(píng)估，研究成果可為類似運(yùn)營公路隧道工程提供參考借鑒。

1 工程概況

岑水路均昌隧道施工涌水段CK7+700～CK8+100下穿斷層破碎帶，上覆巖土層依次為沖洪積土、殘坡積土、全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等，地質(zhì)剖面如下頁圖1所示。共設(shè)置有S3、S4、S5-T1等3種支護(hù)類型，具體如下頁圖2所示。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果，均昌隧道施工涌水段主要存在襯砌脫空、襯砌不密實(shí)、鋼筋保護(hù)層厚度過大、襯砌厚度不足和圍巖不密實(shí)等5類病害。

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)檢測結(jié)果，選取若干典型斷面，采用Midas GTS NX有限元分析軟件，采用地層-結(jié)構(gòu)模型，建立有限元計(jì)算模型。

2.1 模型尺寸

Ⅲ級(jí)圍巖模型：為消除邊界效應(yīng)，將水平和豎向圍巖分別取洞徑的3倍作為計(jì)算范圍，隧道埋深100 m，整體網(wǎng)格劃分如圖3（a）所示。

Ⅳ級(jí)圍巖模型：為消除邊界效應(yīng)，隧洞左側(cè)、右側(cè)、上側(cè)和下側(cè)圍巖分別取洞徑的3倍作為計(jì)算范圍，計(jì)算模型取120 m（長）×120 m（高），隧道埋深90 m。建立的模型如圖3（b）所示。

Ⅴ級(jí)圍巖模型：為消除邊界效應(yīng)，隧洞左側(cè)、右側(cè)、上側(cè)和下側(cè)圍巖分別取洞徑的3倍作為計(jì)算范圍，計(jì)算模型取120 m（長）×120 m（高），隧道埋深100 m。建立的模型如圖3（c）所示。

2.2 單元類型、本構(gòu)模型及缺陷模擬方式

圍巖部分采用德魯克-普拉格本構(gòu)模型和平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬，初支和二襯采用線性彈性本構(gòu)模型和一維梁單元進(jìn)行模擬，通過“析取”命令生成網(wǎng)格單元，這樣可以使初支和二襯在同一位置的梁單元完全重合，二襯作為二次支撐結(jié)構(gòu)來受力。錨桿采用線性彈性本構(gòu)模型和植入式桁架單元進(jìn)行模擬，仰拱填充部分采用線性彈性本構(gòu)和平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬。

本文通過“殺死”襯砌背后網(wǎng)格的方法來模擬襯砌背后空洞病害，通過減小襯砌梁單元橫截面高度的方法來模擬襯砌厚度不足病害，通過折減襯砌密度、彈性模量及強(qiáng)度的方式來模擬襯砌不密實(shí)情況。對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通過改變鋼筋重心至混凝土最近邊緣的距離來模擬鋼筋保護(hù)層厚度過大的情況。

2.3 材料參數(shù)的選取

根據(jù)地勘資料和隧道設(shè)計(jì)資料，圍巖、襯砌及支護(hù)等結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1。

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)對(duì)均昌隧道相應(yīng)區(qū)段的檢測結(jié)果，選取14種典型工況分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)，如表2所示。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響

選?、跫?jí)圍巖S5-T1型襯砌，分析鋼護(hù)層厚度分別為6 cm、10 cm、30 cm、50 cm時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)沿拱頂向兩側(cè)呈對(duì)稱分布，安全系數(shù)沿拱頂、拱腳、仰拱方向先減小，后增大，其中鋼筋保護(hù)層厚度為30 cm和50 cm時(shí)，兩側(cè)拱腳處于大偏心受壓狀態(tài)且混凝土受拉區(qū)無鋼筋，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，混凝土?xí)l(fā)生拉伸破壞。

（2）隨著鋼保厚度增加，拱頂、拱腰、仰拱部位的安全系數(shù)逐漸減??；邊墻部位安全系數(shù)先減小后增大；鋼筋保護(hù)層厚度從6 cm增加到10 cm時(shí)拱腳部位安全系數(shù)減小，大于30 cm后拱腳發(fā)生拉伸破壞。

3.2 襯砌背后脫空對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響

3.2.1 脫空深度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響

選?、蠹?jí)圍巖S3型襯砌，分析無脫空、右拱腰脫空深度0.2 m、右拱腰脫空深度0.4 m等3種工況的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下頁圖5所示。由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）隨著右拱腰脫空深度增加，左拱腳、左邊墻、左拱腰、右拱腰的安全系數(shù)逐漸減小，拱頂、右邊墻、右拱腳安全系數(shù)逐漸增大。

（2）脫空位置襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小，隨著脫空深度增加至0.4 m，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)由18.42減小到1.91，減小了89.63%。

3.2.2 脫空范圍對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響

選取Ⅲ級(jí)圍巖S3型襯砌，分析無脫空、右拱腰脫空范圍3.6 m、右拱腰脫空范圍8.4 m等3種工況的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）隨著右拱腰脫空范圍增加，左拱腳、左邊墻、左拱腰位置的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)逐漸減小；拱頂、右拱腳位置的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)先增大后減??；右拱腰位置襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)先減小后增大；當(dāng)脫空范圍達(dá)8.4 m時(shí)右邊墻部位出現(xiàn)受拉破壞。

（2）右拱腰脫空位置襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小，襯砌脫空存在最不利范圍，推測是由于脫空范圍擴(kuò)大后，應(yīng)力集中區(qū)域外移，最不利區(qū)域向脫空區(qū)端頭轉(zhuǎn)移。

3.3 襯砌厚度不足對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響

選?、艏?jí)圍巖S4型襯砌，分析左拱腰襯砌厚度40 cm（無缺陷）、30 cm、20 cm、10 cm等4種工況的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）隨著左拱腰襯砌厚度減小，左拱腳、左邊墻、拱頂部位安全系數(shù)逐漸增大；左拱腰、右邊墻、右拱腰、右拱腳安全系數(shù)逐漸減??；仰拱部位安全系數(shù)幾乎不變。

（2）左拱腰部位隨著襯砌厚度減小，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)由5.36逐漸減小至3.07，減小約42.72%。

3.4 組合工況對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)影響

選?、艏?jí)圍巖S4型襯砌，分析無缺陷、左拱腰脫空（深40 cm，寬7 m）、左拱腰厚度不足（厚度20 cm，寬7 m）、左拱腰脫空+襯砌厚度不足（脫空深40 cm，厚度20 cm，寬7 m）等4種工況的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）脫空比襯砌厚度不足對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響更大，主要表現(xiàn)為局部安全系數(shù)明顯降低。

（2）脫空缺陷下左拱腰安全系數(shù)降低69.6%，襯砌厚度不足缺陷下左拱腰安全系數(shù)降低31.1%，組合缺陷工況下左拱腰安全系數(shù)降低80.4%。由此可見，組合缺陷嚴(yán)重影響襯砌結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)引起重視。

4 結(jié)語

根據(jù)隧道襯砌隱伏質(zhì)量缺陷檢測結(jié)果，通過結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）鋼筋保護(hù)層厚度過大病害，會(huì)導(dǎo)致拱腳附近的襯砌橫截面大偏心受壓，由于受壓區(qū)沒有鋼筋，且混凝土的抗拉強(qiáng)度低，會(huì)造成混凝土受拉破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。其他位置存在鋼筋保護(hù)層厚度過大時(shí)，不易出現(xiàn)襯砌橫截面大偏心受壓，所以對(duì)安全系數(shù)的影響較小。

（2）襯砌背后脫空病害對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和受力狀態(tài)影響較大。背后脫空病害會(huì)導(dǎo)致脫空處襯砌的安全系數(shù)降低，以及造成脫空側(cè)襯砌的受力狀態(tài)由壓彎轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘潯?/p>

（3）襯砌厚度不足病害，會(huì)導(dǎo)致襯砌厚度不足處安全系數(shù)的降低，其他地方無明顯影響。

（4）襯砌脫空比厚度不足對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響更加明顯，組合缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響非常大，在實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注組合缺陷。

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