隧道衬砌背后空洞健康判据试验研究

李 明，陈洪凯，熊峰伟

(1.重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074;2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都，610031;3.湖州市交通规划设计院，浙江湖州 313000)

隧道衬砌背后空洞健康判据试验研究

李 明1，2，陈洪凯2，熊峰伟3

(1.重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074;2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都，610031;3.湖州市交通规划设计院，浙江湖州 313000)

从研究衬砌背后空洞单项指标判据出发，结合实例采用室内大比例尺模型试验，分析了衬砌背后存在不同尺寸空洞时结构的承载力大小变化、病害产生形式和变化规律等。得到了隧道衬砌背后空洞的单项指标健康判据:隧道健康状态时背后无空洞，处于亚健康时背后空洞小于100 mm，病害阶段时背后空洞介于100～550 mm之间，病危阶段时背后空洞大于550 mm。

隧道衬砌;空洞;试验;健康;判据

隧道衬砌背后的空洞会造成衬砌受力不均衡，形成偏压效应，引发或加剧其他类型的衬砌病害，严重影响隧道结构的健康状况。目前对衬砌背后空洞的认识仅限于定性分析，缺乏对病害形成过程及机理进行深入分析和量化研究。由于目前的判别标准不统一，造成了判别结果的多样性，给隧道衬砌健康等级的划分带来了困难。因此，亟须解决隧道衬砌背后空洞的健康判据问题。

从文献［1-8］来看，现阶段的研究主要是利用数值仿真手段研究隧道与地下工程结构的施工开挖过程以及围岩与支护结构的相互作用，直接研究隧道健康判据的文献较少，而对支护结构裂缝和背后空洞的模拟有部分研究。但是结论没有经过试验和实践验证，要想引入工程实践尚需时日。

因此，笔者在前人研究的基础上，结合工程实例，采用相似模型实验方式探索隧道工程支护衬砌背后不同尺寸的空洞与隧道健康等级之间的关系，建立健康状态诊断判据。

1 相似模型试验材料参数选取与设计

通过国内外众多专家学者积累的丰富经验［9-10］，根据试验的目的与要求，支护结构衬砌采用石膏模拟，从安全的角度考虑，忽略了其中的钢构件模拟;考虑到试验中受到各方面因素的影响，本次试验得围岩参数主要采用Ⅵ级围岩的技术指标。隧道试验模型的原型为重庆市“八一”隧道，模型比例尺为1∶25。试件加压系统采用液压自动伺服系统控制实现。为防止横向的变形，在竖直方向采用25 mm厚钢板支撑。

2 试验结果分析

2.1 完整支护衬砌结构承载力的影响分析

在竖直应力作用下，完整隧道围岩-支护结构设计关键点在荷载作用下的力，如图1。由图1可以看出，在隧道支护结构拱肩附近受到较大的接触压力作用，致使隧道结构首先从这些部位出现压溃裂纹病害，因受到隧道拱脚部位形状的限制，土体首先从拱脚部位开裂，然后两侧裂缝逐渐贯通而使结构失稳破坏，具体的破坏形态详见图2。

由图1还可以看出，支护应力最大的位置一直处于拱顶位置，而较小的土压力则处于拱顶两侧，这种受力模式作用下，致使隧道较大的弯矩出现在拱肩至拱腰部位，拱肩部位由于受力过大而早于其他部位被压溃。隧道在这种变化过程与隧道位移变化规律相似。

2.2 支护衬砌背后空洞对结构承载力的影响分析

当支护衬砌背后空洞深度为4 mm时的特征点接触应力、特征点位移和内力断面如图3。

由图3(a)可以看出，在竖直应力作用下，拱顶和接近拱顶附近的拱肩部位的位移变化逐渐加大，尤其是拱顶部位的变形接近于仰拱底部的变形时，隧道结构开始出现病害。试验中，当竖向加载至37.954 kPa时，隧道周边出现环向裂纹，从右侧边墙开始开裂，随后从右侧边墙1/3高度扩展至地面，产生土体刺入式破坏，随后结构出现整体失稳，承载力下降，说明结构已经完全失去承载能力，结构破坏。由于拱顶部位30°范围内与围岩体模拟材料没有接触，变形较小，与之相邻的左右侧拱肩部位受到较大的应力作用，与之相对应的就是在拱肩部位将受到较大的压力，使结构出现压溃，主要的病害出现部位是拱肩和边墙，拱顶的破坏则主要是由于拱肩的破坏引起的裂缝贯通而产生的压溃屈服，主要特征有时会出现沿纵向的压溃现象。

由图3(b)可以看出，由于拱顶的空洞作用，拱顶支护衬砌与模拟围岩体没有接触，所以没有出现接触压力，在病害出现之前出现拱顶压力为0的现象。这样，随着竖向压力的增加，势必造成拱肩部位的压力增加，并且保持最大。当接触压力达到一定的数值以后，隧道拱肩部位的支护结构内侧出现受拉而破坏，这与前述的变形与破坏现象相一致。随着接触应力的增加，拱肩部位的裂纹首先向边墙拱脚延伸贯通，最后致使拱顶支护结构压溃而整体失稳。

从受力来看，随着竖向荷载的加大，拱肩和边墙部位的接触应力增加，支护结构内部的压应力在拱肩部位反映为最大。在结构尚未出现病害以前，整个支护结构内的弯矩均为负值，且量值较小，与支护结构内的压应力对应的拱肩附近的弯矩相对也较小。弯矩与轴力的叠加，致使拱肩部位受到较大的拉应力作用，整个结构的主控截面出现在拱肩部位，并逐渐向拱腰和边墙部位移动。当拉应力值超过截面的抗拉强度时，则在拱肩附近部位出现拉裂纹。拱肩开裂以后，应力向周边传递，首先受到冲击的就是拱顶部位。由于拱顶支护与围岩之间没有产生抗力作用，不能抵抗增加的应力，会在支护结构的内侧出现挤压应力，而支护结构的内侧则受到拉应力的作用，同时拱腰和边墙部位的受力以受拉为主。因此裂纹向下扩展的随度要比向上的速度快，因此破坏时拱肩以下的部位裂纹贯通，而在拱顶部位出现压溃现象。

当衬砌背后空洞深度分别增加为20 mm和30 mm时的支护结构关键点随竖向加载的位移曲线、衬砌的接触应力变化曲线和支护结构横断面应力分布曲线分别如图4和图5。

从图4和图5可以看出，当结构背后空洞增大后，结构的承载能力直线下降，结构的变形规律和接触应力的变化趋势具有共同的特点。在竖向应力的作用下，由于拱顶部位支护结构和围岩体之间的空隙较大，没有产生相应的抗力作用，拱顶部位的位移要相对于支护结构临近拱肩部位的区域的结构受到较大的应力作用，结构变形在此处最大，边墙部位的变形要比其它部位的变形要小的多，因此结构的变形在隧道横断面结构上呈现一典型的拱顶向上突出、拱肩向内陷入和边墙基本变形较小的“凸”型结构，在仰拱结构部位的变形呈现向内侵入隧道建筑空间的“凹”型结构。结构的受力以隧道拱肩附近最大，拱腰向边墙部位的方向逐渐减小的趋势，从结构接触应力的的变形横断面曲线可以看出，呈现为典型的猫耳朵形状。

从结构的病害产生到破坏的过程来看，有空洞时的产生的病害形式、位置和顺序也基本相同。病害首先出现在受力最大的拱肩部位，沿着隧道左右两侧拱肩部位首先出现纵向裂纹，一旦出现裂纹，拱肩部位的应力得到释放，逐渐转向隧道的拱顶、拱腰与边墙部位。隧道拱顶部位的病害出现内部受拉破坏，而外侧由于受到较大的挤压作用而压溃，拱肩以下部位的裂纹则由于受到较大的接触应力作用而在隧道支护结构外侧出现外面宽而内部逐渐向内部扩展的“V”字型裂纹，随着裂纹的逐渐扩展贯通，支护结构的承载能力逐渐损失殆尽，因此进一步增加竖向应力，结构的裂纹贯通以后出现错台现象。

2.3 支护衬砌背后空洞结构健康状态判据分析

现把拱顶衬砌背后不同深度空洞试验特征点接触应力与破坏荷载汇总于表1，衬砌背后不同深度空洞承载力褪化关系如图6，衬砌背后不同深度空洞各特征点最大接触应力和位移曲线分别如图7、图8，表2是各特征点位移的汇总。

表1 拱顶衬砌背后空洞试验特征点接触应力与破坏荷载汇总Tab.1 Summary of contact stress and failure load of characteristic points various cavity test

图8 不同空洞深度时特征点最大位移曲线Fig.8 Maximum displacement curve of characteristic points under various cavity depth

表2 拱顶衬砌减薄试验特征点最大位移与破坏荷载汇总Tab.2 Summary of maximum displacement and failure load of characteristic points various thickness test

从表1和图6、图7可以看出，随着拱顶衬砌背后空洞深度的增加，结构的承载能力逐渐下降，各特征点的接触应力亦具有相类似的变化规律，但是在各个实验阶段的承载力下降速率是有较大差异的。以完整状态的衬砌受力状态和承载能力作为标准，由图6可以看出，结构的变形曲线呈现为明显的反“S”型形状，下降曲线可以分为明显的3段:

1)缓慢褪化阶段，在此阶段，从隧道背后无空洞至空洞深度为4 mm，由于背后空洞的存在，支护结构的承载能力逐渐下降，但是褪化速度较慢，速率为0.711 kPa/mm，结构的承载能力减少到完整状态的93%。

2)快速褪化阶段，在此阶段从隧道拱顶背后空洞深度为4～22 mm之间，随着隧道支护衬砌拱顶背后空洞的深度逐渐加深，隧道的承载能力迅速下降，拱肩等部位的接触应力也是迅速下降。结构承载能力的褪化速率为1.26 kPa/mm，时缓慢褪化阶段褪化速率的1.77倍。在隧道支护衬砌背后空洞深度达到20 mm时，结构的承载能力降低为完整状态下的38.25%，可以认为隧道支护结构的支撑能力已经损失殆尽。

3)褪化完成阶段，在此阶段从隧道拱顶背后空洞深度为大于22 mm，随着支护衬砌背后的空洞的进一步加大和深入，支护结构和围岩之间的接触应力、位移和承载能力与隧道拱顶背后空洞深度为22 mm时的对应测试参数相比较没有很大的变化，可以认为在此阶段，隧道的承载能力已经褪化完成。此时的承载力褪化速率为0.144 kPa/mm，结构的承载能力降低为完整状态下的34.81%，与结构衬砌背后空洞深度为22 mm时的承载能力基本持平，在变化趋势线上可以看出其为一近似水平的直线段，只在图7和图8中也可以明显的看出来。

在隧道支护结构承载能力快速下降阶段，可以认为隧道的健康状态处于病害阶段，在此阶段及时采取支护补强手段，可以继续延续隧道支护结构的承载能力，保证随到结构的继续营运;在褪化完成阶段，隧道的健康状态已经是病危阶段，支护结构的承载能力随着支护结构背后空洞的深度增加而变化很少，隧道支护结构随时有可能出现失稳，造成极大的隐患，隧道结构处于病危阶段;在缓慢褪化阶段，隧道支护结构的承载能力随隧道支护结构背后空洞深度的逐渐加深而缓慢下降，但是并不影响隧道整体的稳定性，因此，在此阶段，隧道的健康状态可以划分为亚健康状态，在此阶段如果采取有效措施将隧道背后的空洞填塞压满，使围岩和支护结构充分密贴，完全可以达到隧道整体状态时的承载能力。当隧道支护结构背后没有空洞时，隧道的承载能力达到最大，可以从空洞深度的角度单方面确定隧道的结构状态为健康状态。

从以上的分析过程来看，结合相似模拟试验理论的实验比例，可以确定通过试验的隧道支护结构背后空洞深度的隧道健康状态判据如表3。

表3 隧道支护结构背后空洞深度的隧道健康状态试验判定标准Tab.3 Test criterion of tunnel health under the cavity behind the supporting structure

另外在隧道支护结构特征点最大接触应力图7中可以看出，当支护结构厚度为4～22 mm变化时，隧道拱顶部位的接触应力由正变副，拱顶结构的受力与其他对应部位的受力符号相反，在隧道支护整体横断面上呈现明显的交替应力现象，致使隧道的健康状态直线下降，与之相对应的隧道的位移除了出现向隧道净空方向发生移动以外，尚发生向隧道围岩内部刺入的变形，隧道拱顶部位的变形一直处于最大值状态，随后随着支护结构拱顶背后空洞的进一步加深，位移变化并不十分明显，在此前阶段的拱顶位移一直处于拱肩和边墙部位位移变化值之间。另外从图7可看出，在对应的结构健康状态阶段，隧道关键点变形的规律与承载力的变化趋势相似，而结构的变形趋势则与结构的承载能力曲线有点相似。

3 结论

通过上述试验得出的主要结论如下:

1)同样厚度的衬砌支护结构背后存在空洞时，支护结构的承载能力下降的趋势十分明显，在同等位移的条件下，有空洞的结构直接降到没有空洞时的支护结构承载力的1/3左右，随着位移的增大，承载力下降的速度越快;

2)隧道支护结构背后的空洞随着尺寸的增加，结构的承载力褪化呈阶段性下降，总体上可以分为3个阶段:缓慢褪化阶段、加速褪化阶段和退化完成阶段，每个阶段分别对应隧道结构状态的亚健康、病害和病危阶段，在图形上呈明显“S”形形状;

3)以隧道背后无空洞作为隧道健康的单项指标，则隧道背后空洞深度小于100 mm时，隧道支护结构处于亚健康状态，当背后空洞深度超过550 mm时，则隧道的承载能力基本丧失，处于病危阶段，如果空洞深度介于上述标准之间，隧道的健康状态则属于病害阶段。

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Test Research on Health Criterion of Cavities behind the Lining

LI Ming1，2，CHEN Hong-kai2，XIONG Feng-wei3

(1.Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Civi1 Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;
3.Huzhou Traffic Planning and Designing Institute，Huzhou 313000，Zhejiang ，China)

For studying the single index criterion of lining cavities，and introducing lab large-scale model test combining the engineering example，analyzing the variety of structure bearing capacity，disease producing shapes and varying rule and so on where are different dimension cavities after lining.finding out the single health criterion of cavity:it is health where no cavities after the lining，it’s sub-health when the dimension is less than 100mm，disease when the dimension is between 100mm and 550mm，it’s sick to death if the dimension were more than 550mm.

lining;cavity;test;health;criterion

U456.3+1

A

1674-0696(2011)03-0398-05

2010-11-16;

2011-04-26

重庆市建设科研项目(200857)

李 明(1978-)，男，河南南阳人，博士研究生，主要从事公路隧道与岩土工程研究。E-mail:lijianming7805@126.com。