衬砌背后空洞对不同等级围岩的影响分析

王 伟 卢军源 李盈灿

（长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

衬砌背后空洞对不同等级围岩的影响分析

王 伟 卢军源 李盈灿

（长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

隧道病害越来越引起人们的关注与重视，选取衬砌背后存在空洞这一常见隧道病害形式，利用有限元软件ANSYS建立三维弹塑性模型，运用地层结构法，通过模拟隧道开挖施工，分析拱顶部位空洞对不同等级围岩的位移以及内力的影响。结果表明衬砌背后空洞的存在降低衬砌结构的安全性，随着围岩等级变差，衬砌安全性越差，指出隧道空洞病害常用的维修加固措施。

隧道病害 衬砌背后空洞 数值模拟 位移 内力

1引言

1.1 隧道病害

随着我国国民经济实力增强，公路隧道得到飞速发展，从隧道的数量、规模和建设速度来看，我国已成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家[1]。然而由于地质条件、地形条件、气候条件和设计施工、运营过程中各种因素的影响，隧道建成后在使用过程中会出现各种各样不同程度的病害，部分隧道甚至在使用的前期就出现比较严重的隧道病害，如衬砌裂损、隧道渗漏水等。衬砌背后存在空洞是比较常见的隧道病害，隧道病害严重影响着隧道的运营安全，缩短了隧道的使用寿命，同时也造成人力、物力和经济的损失。

1.2 空洞成因

造成衬砌背后存在空洞的原因主要为在新奥法隧道施工时，由于隧道爆破效果不够理想，超欠挖现象普遍，部分施工单位为了追求经济快速，通过钢筋网在作为初期支护的喷射混凝土层背后设置石块、泡沫、稻草等取代混凝土进行充填，造成了围岩与初期支护之间接触不良，有些甚至形成了较大型的空洞；在对隧道二次衬砌进行施工中，泵送混凝土的压力不足，混凝土流动性差，以及抽拔泵送管太早太快等原因，造成模筑混凝土厚度不足而形成了空洞，主要以拱顶部位为主[2]。

1.3 空洞危害

衬砌背后存在空洞时，衬砌结构的受力以及围岩的应力状态会发生改变。衬砌上边缘容易发生开裂，围岩会失去应有的支护而松弛、变形，导致失稳、脱落，严重时会发生崩塌，严重影响隧道使用和行车安全[3]。

2有限元模型

以河南省某隧道工程为依托，建立ANSYS有限元模型，进行三维弹塑性分析，模型范围取隧道纵向长度12m，上下左右各取4倍洞径，经验表明如果取计算边界为隧道等效直径的3～5倍，则边界误差在10%以内。模型共划分为29952个单元，33985个节点，模型整网格划分如图1所示、空洞及支护结构示意如图2所示。采用八节点三维实体单元solid45模拟围岩，采用三维壳单元shell63模拟衬砌结构。隧道围岩及支护结构材料按均质弹塑性考虑，采用Drucker-Prager屈服准则，其表达式为：

图1 有限元模型

图2 隧道支护结构及空洞模型

初期支护中钢拱架的模拟采用等效的方法予以考虑，通过将其强度整合计算到喷射混凝土中综合考虑，具体计算公式为。式中：为折算后的喷射混凝土弹性模量；为原喷射混凝土弹性模量；为钢拱架弹性模量；为钢拱架截面积；为喷射混凝土截面积[4]。采用台阶法进行开挖，每次进尺1m。

表1 模型材料物理力学参数选取

Ⅴ级围岩1.8 0.38 24 0.2 22初次衬砌26 0.2 24二次衬砌26 0.2 24

3计算结果分析

3.1 位移特征

位移作为判定隧道围岩结构稳定的主要参数，本文选取三种等级围岩空洞下方拱顶部位开挖过程中竖直方向的位移量进行对照分析，各等级围岩开挖过程中拱顶下沉量（见图3）。

图3 各等级围岩衬砌背后存在空洞时拱顶沉降量

可以看出采用台阶法开挖时，拱顶沉降主要集中发生在上台阶开挖的过程中。存在空洞情况下，空洞处衬砌外侧受拉内侧受压，产生应力集中。Ⅲ级围岩开挖至空洞处拱顶沉降量有明显减小的趋势；Ⅳ级围岩随着开挖至空洞处拱顶沉降值由负值逐渐变为正值1mm，说明空洞处衬砌有向上拱起的趋势，等开挖结束后，随着围岩自稳，沉降值又恢复到负值；对于Ⅴ级围岩，空洞处衬砌向上拱起的趋势更为明显，突起位移量达到7mm，且最终沉降值为正值4mm，说明衬砌变形较大，甚至可能破坏。

3.2 内力特征

为了分析隧道衬砌背后空洞对不同等级围岩隧道结构的作用，选取各等级围岩开挖后隧道衬砌各方向的弯矩图进行分析。空洞处对应衬砌由于空洞的作用外侧产生最大负弯矩值，在其周围两侧衬砌则产生最大正弯矩值；X方向弯矩最大正弯矩产生在空洞横向两侧，Y方向弯矩最大正弯矩产生在空洞纵向两侧；随着围岩等级的变差，这种弯矩效应也逐步增强；衬砌Z方向弯矩的最大正弯矩及最大负弯矩也都出现在空洞处；这种弯矩集中且反差较大的现象对衬砌的安全性产生很不利的影响。

4 小结

通过对不同等级围岩衬砌背后存在空洞情况下数值模拟，分析其位移及内力特征，可以得到下面的认识：（1）采用台阶法开挖时，拱顶沉降主要集中发生在上台阶开挖的过程中。空洞使初期支护在失去外侧围岩抗力的情况下外侧受拉，内侧受压。空洞处竖直方向位移明显有向上发展的趋势，Ⅲ级围岩由于其自稳性比较好空洞处拱顶沉降值均为负值，Ⅳ级及Ⅴ级围岩空洞处衬砌向上拱起的趋势比较明显，Ⅴ级围岩更是达到7mm，对衬砌结构的稳定性产生极大影响。（2）空洞出衬砌内力产生集中，各方向最大正弯矩及最大负弯矩都集中在空洞对应的衬砌附近，对衬砌的安全性不利。随着围岩等级变差，衬砌最大正负弯矩值近似成倍的增大，容易导致衬砌结构出现裂缝或破损甚至更严重的病害，对衬砌结构的稳定性影响很大。（3）衬砌背后空洞是隧道比较容易出现的病害之一，使衬砌的受力状态发生改变，还将衍生出衬砌裂损、渗漏水等其他病害。出现衬砌后空洞病害时，常用的维修加固措施有回填压注、内表面补强、锚杆补强以及内衬拱架补强等。本文仅对三种等级围岩隧道衬砌背后空洞进行分析，然而影响隧道稳定的因素还有很多，很多病害都是同时出现综合作用，因此还需要进行更深入的研究和分析。

[1]郭陕云. 论我国隧道和地下工程技术的研究和发展[J]. 现代隧道技术2004(增刊):1-6.

[2]何健，佘川. 高速公路隧道维修与加固[M]. 北京：人民交通出版社，2006

[3]司徒丽新，邹友泉. 衬砌背后空洞对于公路隧道的危害性研究[J]. 山西建筑，2007，33（31）：301-302.

[4]吴波，刘维宁，高波.城市钱买隧道施工性态的时空效应分析[J]. 岩土工程学报，2004，26（3）：340-343.

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1007-6344（2015）04-0322-01