某隧道隧底填充结构裂损差异分析

汪旵生，卢洪强，郑 波

(1.中铁十八局集团有限公司，天津 300222;2.中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731)

某隧道隧底填充结构裂损差异分析

汪旵生1，卢洪强1，郑 波2

(1.中铁十八局集团有限公司，天津 300222;2.中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731)

某隧道进口段仰拱填充结构在施工期出现大量裂缝，且左线裂缝明显比右线裂缝多。通过现场考察发现，隧道进口段地表的地形明显存在一定坡度，左高右低，这种情况在一定程度上导致隧道左、右线所处位置的地下水头高度存在一定差别。通过对围岩渗流场计算得出，左线隧道仰拱中心底部最大水压力值为0.235 MPa，右线隧道仰拱中心底部最大水压力值为0.207 MPa，作用在左线隧道仰拱中心底部的最大水压力比作用在右线隧道仰拱中心底部的最大水压力约大12%。从衬砌结构受力计算结果得到，隧道左线仰拱填充结构的最大主力极值大于隧道右线仰拱填充结构的最大主力极值，且两者均大于或稍大于仰拱填充材料C20混凝土的极限抗拉强度，导致仰拱填充结构开裂，并出现隧道左线仰拱填充结构拉张裂缝较多，而右线仰拱填充结构拉张裂缝较少的现象。

铁路隧道;仰拱;开裂差异;水压力;极限抗拉强度

1 研究背景

目前，国内外学者分别从试验分析或理论研究出发，对隧道衬砌结构做了大量研究工作。如:肖林萍等［1］对双连拱隧道的施工方法与结构内力样式及围岩稳定性进行了试验研究;朱永全［2］进行了隧道衬砌结构极限状态试验研究，明确了隧道衬砌结构极限状态概念;程桦［3］对软弱围岩复合式隧道衬砌进行了模型试验研究，比较了直墙式与曲墙式隧道衬砌的变形、承载能力与破坏特征;潘洪科［4］在现场监测的基础上，结合正反有限元方法分析了偏压对隧道衬砌开裂的影响等。事实上，对于不同隧道，由于其所处地质环境不同，其衬砌开裂机理与特征亦有所不同［5-9］，对衬砌结构开裂机理分析应结合具体工程展开。从既有文献资料来看，对隧道仰拱填充结构开裂研究案例很少，尚未发现研究隧道左、右线仰拱填充结构开裂差异分析资料。因此，结合某隧道进口段仰拱填充结构开裂情况，从地质、地形因素等方面探讨仰拱填充结构左、右线开裂差异，对隧道衬砌开裂机理研究有着重要的意义。

2 工程概况

某隧道地处福建西北部，进口位于将乐县城郊苦竹村，出口位于沙县夏茂镇后垄村。左线隧道全长17 842 m，右线隧道全长17 836 m。进口段隧道围岩级别为Ⅳ或Ⅴ级，最大埋深约60 m，地下水发育，穿越F1、F2断层，断层可见宽度约15.0 m，麋棱岩为主，伴有绿泥石化，少量团块状硅化，断面产状 100°∠70°，走向与路线夹角为42°，为压扭性逆断层，上盘下盘挤压片理发育，影响宽度各约20 m。在隧道施工过程中，在隧道进口段右上部建设水泥厂填筑场地，改变了原有地形地貌，抬升了地下水位。该隧道采用在边墙与拱部设置盲管+无纺布+防水板的排水系统，底部不设任何地下水排导系统。

3 仰拱填充结构裂缝特征

在隧道开挖后，隧道进口段衬砌出现大量裂缝，特别是在仰拱填充结构部位，裂缝上宽下窄，呈“Ⅴ”字形，局部裂缝发育斜向发展，多数裂缝均未到底，左线仰拱填充结构裂缝最深约82 cm，右线仰拱填充结构裂缝最深约129 cm。隧道左线裂缝数量明显比右线多，其裂缝分布由图1所示。可以看出，裂缝主要出现在仰拱填充结构面隧道中心线附近，并且沿隧道中心线分布，在边墙附近未出现裂缝。

图1 雪峰山隧道进口段左、右线仰拱填充层顶面裂缝分布

4 围岩渗流场特征

4.1 地形条件

图2为某隧道进口段地表情况，由图2可知，地形明显存在一定坡度。另外，隧道DK300+850～DK301+300段位于低山地段，线路右侧为一冲沟，2007年，当地修建水泥厂填平了该冲沟，一定程度上改变了原有的地形地貌，地表径流发生变化，提高了地下水位，使围岩含水量增加，地质条件恶化，原有渗流场也相应发生改变。

图2 隧道进口段地表情况

4.2 围岩初始渗流场

选取隧道进口段DK301+230横断面为渗流计算断面，模拟分析隧道初始渗流场及隧道开挖、支护等过程中围岩渗流场特征，计算模型网格如图3所示。

根据地质勘察资料，计算参数取值如下:围岩渗透系数km=1×10-6cm/s，仰拱填充结构渗透系数 km=1×10-10cm/s。由于在边墙及拱部衬砌背后设置盲管+无纺布+防水板的地下水排导系统，考虑地下水排导系统能满足排水要求，作用在衬砌背后的水头近似为0，考虑到初支存在一定透水性，但又有一定的阻水作用，取其渗透系数为 kl=1×10-7cm/s。

图3 计算模型网格

另外，根据钻孔地质勘察资料［10］，地下水位范围1.4～1.7 m，因此，计算中统一取地下水埋深为2.0 m，在模型两边施加静水压力边界，按式(1)确定，衬砌内水压力边界为p=0，沿隧道轴线方向取单位长度。

式中，H 为埋深，m;γw为水的容重，kN/m3。

图4为围岩初始孔隙水压力等值线图，由图4可以看出，地表不平坦会导致左右线隧道位置初始地下水水头高度不一致，左线隧道拱顶位置地下水水头为50.8 m，右线隧道拱顶位置地下水水头为48.2 m。可见，地形坡度在一定程度影响隧道初始水头高度。

图4 围岩初始孔隙水压力等值线

4.3 隧道开挖对围岩渗流场的影响

图5(a)为右线隧道开挖支护后围岩孔隙水压力等值线图，图5(b)为右、左线隧道均开挖支护后围岩孔隙水压力等值线图。由图可以看出，隧道开挖后，开挖面渗水会改变围岩局部渗流场，如果保持隧道排导系统正常工作，那么会降低地下水位，但是，当雨季来临或地表水补充充分时仍然会导致地下水位进一步上升。

从图5(b)还可以看出，右、左线隧道均开挖支护后，作用在右、左线隧道上的地下水位仍然有一定的差别，显然，作用在左线隧道衬砌结构上的水头值要大于作用在右线隧道衬砌结构上的水头值。

根据勘察资料及复合式衬砌水压力原理［11，12］，通过计算可知，作用左线隧道仰拱中心底部最大水压力值约为0.235 MPa，而作用在右线隧道仰拱中心底部最大水压力值约为0.207 MPa，可见，作用在左线隧道仰拱中心底部的最大水压力比作用在右线隧道仰拱中心底部的最大水压力约大12%。

图5 隧道开挖支护后围岩孔隙水压力等值线

5 左右线衬砌结构受力分析

根据上述渗流场计算结果，作用在衬砌结构上的水压力分布规律如图6所示。计算时考虑水压力与围岩压力的共同作用，围岩压力根据《铁路隧道设计规范》［13］确定，水平围岩压力分别取不同侧压力系数，计算模型采用“荷载-结构”模型。计算中，拱墙及仰拱为C35钢筋混凝土，弹性模量取32.25 GPa，仰拱填充结构为C20混凝土，弹性模量取28 GPa，衬砌厚度取50 cm。Ⅳ级围岩，围岩重度取22 kN/m3，弹性反力系数取200 MPa/m;Ⅴ级围岩，围岩重度取20 kN/m3，弹性反力系数取100 MPa/m。

图6 左、右线隧道衬砌结构上水压力分布规律(单位:MPa)

图7、图8为不同工况下左、右线隧道衬砌结构应力状态分布图，表1为不同工况下衬砌结构应力状态极值汇总表。从图7、图8及表1可以看出，最大主应力极值均出现在仰拱填充层顶面中心线附近，为拉应力，而最小主应力极值均出现在边墙墙脚附近，为压应力。在不同计算工况下，隧道左线仰拱填充结构最大主应力极值均大于C20混凝土的极限抗拉强度值1.7 MPa，而隧道右线仰拱填充结构最大主应力极值稍大于C20混凝土的极限抗拉强度值，隧道右线仰拱填充结构应力处于混凝土拉裂的临界状态。这说明雪峰山隧道进口段左、右线隧道仰拱填充结构开裂程度不同主要是由于其应力状态不同造成的，相比而言，隧道左线仰拱填充结构的最大主力极值要大于隧道右线仰拱填充结构的最大主力极值，两者分别大于或稍大于仰拱填充材料C20混凝土的极限抗拉强度。从而出现左线隧道仰拱填充结构拉张裂缝较多，而右线隧道 仰拱填充结构拉张裂缝较少的现象。

图7 左、右线隧道衬砌结构应力状态对比图(Ⅳ级围岩、侧压力系数0.3)

图8 左、右线隧道衬砌结构应力状态对比图(Ⅴ级围岩、侧压力系数0.3)

表1 不同工况下衬砌结构应力极值汇总 MPa

另外，由图7、图8及表1可知，在不同计算工况下，衬砌结构的最大压应力远小于拱墙及仰拱的C35钢筋混凝土允许压力值13.0 MPa和极限抗拉强度值30.0 MPa。因此，衬砌结构不会出现压溃现象。

综合上述分析可知，左线隧道仰拱填充结构开裂程度会比右线隧道仰拱填充结构严重的现象，主要是由于地表存在一定坡度，导致左、右线隧道所处位置地下水头值有所不同，导致作用在左线隧道衬砌结构上的水头值要大于作用在右线隧道衬砌结构上的水头值。同时，隧道仰拱不设任何地下水排导系统，而在隧道边墙及拱部设计了盲管+无纺布+防水板的排导系统，从而使作用边墙与拱部的水压力近似为0，作用在仰拱底部的水压力较大。在围岩压力与仰拱水压力的共同作用下，会导致仰拱填充结构出现拉张裂缝，且左线填充结构裂缝多于右线填充结构裂缝。

6 结论

根据隧道进口段地形因素、地下水水头等情况，考虑土压力与水压力共同作用，对隧道进口段左、右线仰拱填充结构应力状态进行了分析，得出以下主要结论。

(1)地表不平坦会导致左、右隧道位置初始地下水水头高度不一致，左线隧道拱顶位置地下水水头为50.8 m，右线隧道拱顶位置地下水水头为48.2 m;作用在左线隧道仰拱中心底部最大水压力值约为0.235 MPa，作用在右线隧道仰拱中心底部最大水压力值约为0.207 MPa。

(2)衬砌结构的最大主应力极值均出现在仰拱填充层顶面中心线附近，为拉应力，而最小主应力极值均出现在边墙墙脚附近，为压应力。

(3)计算结果表明:左线隧道仰拱填充结构最大主应力极值均大于C20混凝土的极限抗拉强度值1.7 MPa，而右线隧道仰拱填充结构最大主应力极值稍大于C20混凝土的极限抗拉强度值，右线隧道仰拱填充结构应力处于混凝土拉裂的临界状态。在围岩压力与仰拱水压力共同作用下，会导致仰拱填充结构出现裂缝，且左线填充结构裂缝多于右线隧道填充结构裂缝的现象。

［1］ 肖林萍，赵玉光，申玉生.双连拱隧道结构内力样式及围岩稳定性模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(23):4346-4351.

［2］ 朱永全，张素敏，张彦兵，等.隧道衬砌结构极限状态的概念及室内试验研究［J］.石家庄铁道学院学报，1997(10):1-6.

［3］ 程桦，孙钧，吕渊.软弱围岩复合式隧道衬砌模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，1997，16(2):162-170.

［4］ 潘洪科，杨林德，黄慷.公路隧道偏压效应与衬砌裂缝的研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(18):3311-3315.

［5］ 李治国.隧道岩溶处理技术［J］.铁道标准设计，2008(S1):36-40.

［6］ 蒋荣.汤家湾隧道病害及整治［J］.铁道标准设计，2003(3):25-26.

［7］ 邓国珍，王超，付国才.宝中铁路老爷岭隧道病害整治［J］.铁道标准设计，2008(10):96-98.

［8］ 李国英.岩溶地区隧道仰拱开裂的整治［J］.铁道标准设计，2007(1):68-71.

［9］ 卢永成.对混凝土拱涵开裂的几点看法［J］.铁道建筑，1993(1):12-14.

［10］中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建向莆铁路雪峰山隧道进口段施工补勘［Z］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2011.

［11］ 郑波.隧道衬砌水压力荷载的实用化计算研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［12］ 郑波，王建宇，吴剑.基于等效渗透系数计算衬砌水压力方法研究［J］.现代隧道技术，2012，48(6):43-46.

［13］ 中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

Analysis on Crack Damage Difference of Filling Structure at a Tunnel Invert

WANG Han-sheng1，LU Hong-qiang1，ZHENG Bo2
(1.China Railway 18 Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin，300222，China;2.Southwest Research Institute Co.，Ltd.of C.R.E.C.，Chengdu 611731，China)

A large number of cracks once appeared on the filling structure of the invert at the entrance region of a tunnel in the construction period，and the crack number of the left line was obviously more than that of the right line.Through field investigation，it was found that there was a certain gradient slope of ground surface at the tunnel entrance region and the left side was higher than the right side，thus it generated a ground water head difference between the left line and the right line of the tunnel to a certain degree.Then the results of the calculation on the seepage field of the surrounding rock showed that:the maximum value of water pressure acting on the center of the invert of the left line tunnel was 0.235 MPa，and in the right line tunnel it was 0.207 MPa，so the former was greater than the latter about 12%.Furthermore，the results of stress calculation on the lining structure showed that:the maximum principal stress value of the filling structure of the left line invert was greater than that of the right line invert，and both were greater than or slightly larger than the ultimate tensile strength of C20 concrete which was used as the filling material of the invert.So these reasons had caused a large number of cracks on the filling structure of the invert，with the phenomenon that the crack number of the left line was more than that of the right line.

railway tunnel;invert;crack damage difference;water pressure;ultimate tensile strength

U457+.2

A

1004-2954(2013)04-0092-04

2012-08-01;

2012-08-20

中国中铁股份有限公司科技开发计划课题和中铁十八局自主立项课题资助(编号:重点-40-2011)

汪旵生(1970—)，男，高级工程师，E-mail:sjzc1888@163.com。