中圖分類號：U455.7 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.051文章編號：1673-4874（2025）04-0182-04

0 引言

由于多數(shù)公路隧道建設區(qū)域處于地形地貌復雜多變的環(huán)境，施工質(zhì)量難以實現(xiàn)精細把控，即便有著先進預測及檢測技術，但難免形成各式各樣質(zhì)量缺陷與病害，若施工階段并未得到優(yōu)化改善，該疑難雜癥將遺留給運營使用階段，除圍巖本身外，支護結(jié)構(gòu)存在噴混厚度不足、裂縫、滲水等缺陷病害[1-2]。地質(zhì)雷達無損檢測是隧道病害探測的主要手段，經(jīng)檢測統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)支護厚度不足原因主要為施工超欠挖、噴混誤差、防水與初支見脫空、侵蝕作用、養(yǎng)護不規(guī)范等，客觀與主觀原因造成支護受力有效厚度減小，降低了支護結(jié)構(gòu)剛度、慣性矩、承載能力，嚴重威脅隧道運營使用安全性與耐久性3。若初支、防水、二襯之間未接觸緊密，支護厚度不足情況下圍巖會釋放較多壓力，兩種效應互相影響易造成支護開裂，迅速降低隧道使用耐久性[4]。

現(xiàn)階段對二襯單處或組合缺陷的隧道安全性研究較多，分析手段主要為數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場檢測，而數(shù)值分析法中多采用荷載結(jié)構(gòu)法而較少采取地層結(jié)構(gòu)法[5-7]。不同類型的公路隧道有各自設計使用年限，其與運營使用耐久性關聯(lián)密切，隧道建設過程中應重視耐久性設計，考慮到支護碳化、裂化等自然客觀影響因素，建立日常檢查、特殊檢查等機制，嚴格把控隧道結(jié)構(gòu)安全性進而達到提高運營耐久性的目的[8-9]。鑒于既往研究，支護結(jié)構(gòu)缺陷病害多發(fā)于拱頂、拱腰等處，以往多以二襯厚度不足進行分析，若初支、二襯間存在較大空隙，在滲水、熱脹冷縮、不均勻沉降等因素影響下，初支、二襯的病害是負反饋的，是時間效應影響下，初支會于二襯厚度局部不足部位發(fā)生缺陷病害，本文以某公路隧道初支、二襯均存在局部厚度不足作為分析背景，以數(shù)值模擬手段分析二襯受力特征及安全系數(shù)，對隧道運營使用耐久性展開研究。

1 隧道支護病害統(tǒng)計

利用地質(zhì)雷達無損檢測技術探測出該公路隧道存在較多處支護局部厚度不足的缺陷病害，據(jù)統(tǒng)計分析出初支、二襯厚度合格率從小到大排序為拱頂 拱腰，部分區(qū)段支護局部厚度不足基本呈對稱分布情況，缺陷病害具體分布圖見圖1。隧道檢測區(qū)段平均埋深35. 6m ，設計輪廓線約為寬11m、寬9m，初支 （25） 、二襯（C30）設計厚度分別為25cm、50cm。初支、二襯局部厚度不足主要集中于拱頂、拱腰兩處，且初支、二襯缺陷幾乎出現(xiàn)于同一位置，局部厚度不足平均范圍為1.5m且近似橢圓形，同一位置的初期支護與二襯缺陷厚度均為1cm。

2地層結(jié)構(gòu)法數(shù)值模型

荷載結(jié)構(gòu)數(shù)值模型以單獨初支、單獨二襯、統(tǒng)一初支及二襯等類型為主，卻鮮少利用地層結(jié)構(gòu)法對支護局部厚度不足進行探究。采用二維平面理想彈塑性模型，利用FLAC3D軟件構(gòu)建如表1工況的地層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，為消除邊界影響效應確定模型尺寸為長 80m 高80m，將左、右、下邊界設置為法向位移約束；圍巖、初支、二襯均為實體單元；初支、二襯支護厚度不足分布范圍恒定為1.5m ；巖土體符合 M-C 屈服準則，支護結(jié)構(gòu)為彈性本構(gòu)。數(shù)值模型初支、二襯局部厚度不足缺陷細節(jié)見圖2（僅列出拱頂缺陷），巖土體、支護結(jié)構(gòu)物理力學取值見表2。

表1支護局部厚度不足工況表

表2巖土體與支護物理力學取值

圖1支護局部厚度不足缺陷分布特征示意圖

圖2初支、二襯局部厚度不足細節(jié)圖（以拱頂為例）

3局部厚度不足對二襯內(nèi)力的影響

實體單元內(nèi)力并不能直接導出，需利用支護內(nèi)外表面應變 ε_A，ε_A 按公式（1）進行轉(zhuǎn)換計算，得出二襯軸力 N 以及彎矩 M 結(jié)果[10]。基于初支、二襯均存在局部厚度不足的背景下，對比正常支護、頂部缺陷、左右拱腰缺陷、拱頂 + 左右拱腰缺陷等4種工況的二襯內(nèi)力時態(tài)分布特征。在數(shù)值分析中，以計算時間步模擬時間效應，應用于二襯內(nèi)力時態(tài)變化規(guī)律分析中去。

式中： b 單元長度/m；h 一支護厚度/m。

3.1局部厚度不足對二襯軸力的影響

提取不同工況的二襯內(nèi)外邊緣應變數(shù)據(jù)，代入公式（1）進行計算得出對應軸力，軸力均為正值，表明支護結(jié)構(gòu)均受壓。借助時間步分析得出二襯軸力時態(tài)分布規(guī)律，二襯結(jié)構(gòu)各部位軸力分布規(guī)律見圖3。

從圖3各種工況的二襯軸力時態(tài)分布特征可知，二襯軸力隨時間增加而逐漸增大，是因為隧道支護會隨時間發(fā)展產(chǎn)生裂縫，導致二襯承載力降低，圍巖荷載在運營期間會進一步釋放，使得二襯軸力呈增長趨勢；對比圖3（a）、圖3（b）發(fā)現(xiàn)，由于拱頂支護局部厚度不足，會引起二襯拱頂軸力出現(xiàn)大幅度降低，但拱頂缺陷對其余厚度正常部位的軸力無明顯影響；結(jié)合圖3（a）、圖3（c來看，若支護的左右拱腰處出現(xiàn)厚度不足缺陷，拱腰處二襯軸力明顯降低，而對其余部位軸力影響較??；結(jié)合前面觀點，再對圖3（d）進行分析，再次驗證支護局部厚度不足將引起缺陷部位二襯軸力出現(xiàn)顯著降低，而對未出現(xiàn)缺陷部位的軸力影響相對較弱。

圖3隧道二襯軸力分布規(guī)律圖

3.2局部厚度不足對二襯彎矩的影響

將二襯內(nèi)外邊緣應變代入公式（1計算得出相應工況彎矩，各部位彎矩取絕對值進行分析。隨著時間變化，二襯彎矩分布特征會產(chǎn)生變化，二襯各部位彎矩分布規(guī)律見圖4。

分析圖4中各種工況的二襯彎矩時態(tài)分布特征得出，不同工況的二襯各部位彎矩均隨計算時間增加呈逐漸增大趨勢，表明隨運營時間的增加，周邊圍巖荷載進一步釋放且與支護結(jié)構(gòu)相關接觸，導致二襯接觸內(nèi)力增大；將圖4（a）、圖4（b）進行對比分析，拱頂支護局部厚度不足導致二襯缺陷處彎矩值出現(xiàn)一定程度減小，而其余支力、彎矩分布規(guī)律，按素混凝土截面強度進行計算，首先確定出大小偏心，再計算出極限抗壓、抗拉承載力，最后得出支護截面安全系數(shù) K^[11] 。抗拉、抗壓強度安全系數(shù)分別取3.6、2.4，圖5為不同工況的拱頂、拱腰、拱腳處二襯安全系數(shù)分布規(guī)律。

圖5隧道二襯安全系數(shù)變化規(guī)律圖

圖4隧道二襯彎矩分布規(guī)律圖

護厚度正常部位的彎矩無明顯變化；從圖4（a）、圖4（c）分析的出，支護左右拱腰出現(xiàn)局部厚度不足現(xiàn)象，拱腰處二襯彎矩顯著減小，減小程度明顯快于其余部位；圖4（d）近似圖4（b）、圖4（c）的疊加，拱頂 + 左右拱腰處支護局部厚度不足造成了缺陷部位的二襯彎矩發(fā)生明顯變化，而遠離缺陷處的其余二襯彎矩無明顯變化，表明缺陷對支護厚度正常部位的彎矩影響程度較小。

4局部厚度不足對二襯運營耐久性的影響

由圖5可知，各種工況的拱頂、拱腰、拱腳處二襯安全系數(shù)隨時間發(fā)展呈逐漸減小趨勢。分析圖5（a）得出，最終拱頂安全性優(yōu)劣排序為：正常支護 gt; 左右拱腰缺陷gt;拱頂缺陷 gt; 拱頂 + 左右拱腰缺陷，拱頂缺陷對拱頂安全性影響較大，以強度安全系數(shù)限制值確定出各種工況拱頂安全性滿足要求，最不利工況的拱頂安全系數(shù)接近于7.5，安全儲備有一定富裕，能滿足短期運營耐久性的要求；由圖5（b）可看出，拱腰缺陷工況的拱腰安全系數(shù)明顯小于其余工況，最不利工況為拱頂 + 左右拱腰缺陷，該工況下的安全系數(shù)約等于6.0，從安全系數(shù)界限值判定出各工況滿足短期耐久性要求，但相對于正常支護，局部支護厚度的二襯安全系數(shù)明顯下降；基于已有研究，受剪力影響作用，圖5（c）中的拱腳安全系數(shù)在同一工況下為最低值，對比單一缺陷工況，多缺陷工況對拱腳安全系數(shù)影響更明顯，最不利工況的拱腳安全系數(shù)在4.7左右，對于耐久性而言，安全性富裕較少。

5 結(jié)語

對某公路隧道初支及二襯同一位置存在厚度不足情況進行分析，建立正常支護、頂部缺陷、左右拱腰缺陷、拱頂-左右拱腰缺陷等地層結(jié)構(gòu)模型，在不同缺陷組合工況下，劃分時間步對二襯受力狀態(tài)、安全性展開研究，以安全系數(shù)對運營耐久性進行評價，得出下列論點：

（1）由于支護（初支、二襯）局部厚度不足，導致缺陷部位的二襯軸力、彎矩、安全系數(shù)出現(xiàn)明顯減小趨勢；隧道運營耐久性隨使用時間的延長呈現(xiàn)下降趨勢，下降趨勢最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）支護（初支、二襯）局部厚度不足對缺陷處二襯內(nèi)力、安全性、耐久性的影響遠大于支護厚度正常處，越遠離缺陷處的二襯耐久性越好。

（3）拱頂缺陷會顯著影響拱頂安全性，而拱腰缺陷則明顯降低拱腰安全系數(shù)；若拱頂與左右拱腰同時存在缺陷，結(jié)構(gòu)安全性能將進一步惡化。耐久性優(yōu)劣排序為：正常支護 gt; 左右拱腰缺陷 gt; 拱頂缺陷 gt; 拱頂 + 左右拱腰缺陷。盡管缺陷導致拱頂和拱腰安全性下降，但仍基本滿足運營要求，且不同工況下拱腳始終是耐久性薄弱部位。

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