隧道衬砌施工缺陷对结构安全的影响研究

王兴波，马　龙，李明峰，杨　超

(1.中铁七局集团有限公司， 郑州　450016； 2.中铁九局重庆分公司， 重庆　401121)

隧道衬砌施工缺陷对结构安全的影响研究

王兴波1，马龙2，李明峰2，杨超2

(1.中铁七局集团有限公司， 郑州450016； 2.中铁九局重庆分公司， 重庆401121)

摘要：运用理论分析和数值模拟等研究手段，基于地层-结构法原理，就衬砌厚度不足、衬砌背后空洞和衬砌结构裂缝3种病害对衬砌结构安全性的影响进行研究，得出缺陷在衬砌结构不同位置处以及沿隧道纵向不同长度上衬砌结构的应力和安全系数的变化规律，为隧道结构的安全性评价和后期的运营监测提供依据。

关键词：隧道；厚度不足；空洞；裂缝；安全系数

隧道施工过程中，由于受施工工艺和各种条件限制，经常存在2次衬砌开裂、厚度不足、背后空洞和强度不足等施工缺陷，为后期隧道营运埋下隐患。目前，国内外已经拥有了先进的隧道缺陷检查技术，且一些学者已经运用各种软件和现代化技术来模拟分析隧道缺陷对结构稳定性和安全性的影响，取得了较多成果[1-2]。另外，一些学者也已通过室内模型试验对隧道结构的安全性进行了研究[3-11]，分析了隧道裂缝发展规律、衬砌背后空洞和衬砌厚度不足对结构承载力的影响规律[12-14]。

本文基于新建柳梢沟隧道施工质量检测结果，运用有限元软件建立隧道施工缺陷的计算模型，对缺陷的表观特征、力学性质及其对衬砌结构的影响等因素进行综合分析，得出施工缺陷对新建隧道的安全性影响结果。

1工程概况

柳梢沟隧道为左右线分离式隧道，左线长3 810.8 m，右线长3 847.9 m。隧址区出露的地层主要为第4系全新统地层残坡积、冲洪积层(Q4el+dl)、第4系上更新统冲洪积(Q3al+pl)和三叠系(T1-2)泥砂质板岩，地下水主要以大气降水补给为主。

根据交工检测结果，该隧道左右线2次衬砌厚度合格率为72%，部分路段伴随有空洞和裂缝等施工缺陷，尤其是在隧道塌方段和隧道偏压地段，存在环形裂缝和贯通式斜向裂缝，严重影响隧道的运营安全。

2隧道施工衬砌缺陷结构物理模型

2.1衬砌厚度不足物理力学模型

通过ANSYS有限元软件建立衬砌厚度不足力学模型，如图1所示。图1中，模型中实体单元的厚度按照实际衬砌结构厚度进行计算，H和h分别代表衬砌结构的设计厚度和检测不足厚度。衬砌厚度不足力学模型中，其计算可简化。对衬砌厚度不足模型进行计算分析时，对于缺陷部位是以围岩介质填充，且对该部分附以围岩介质参数。

图1　衬砌厚度不足力学模型

2.2衬砌背后空洞物理力学模型

根据实际施工和检测结果，隧道衬砌背后空洞对隧道结构影响较大部位是以拱顶为中心的300 mm范围，空洞一般深度相对较小，长度和宽度相对较大。另外，根据实际情况和验算的对比，隧道衬砌背后的空洞形状对计算结果的影响误差不超过2%。因此，考虑到实际空洞表现情况和建模的复杂性，本文假设环向分布相同的空洞，在此基础上主要对空洞分布位置和沿隧道纵向分布状况进行统计，就空洞对结构安全性的影响规律进行研究。本文建立了隧道空洞力学模型，如图2所示。

图2　衬砌背后空洞力学模型

3计算模型本构关系和边界确定

本文计算采用地层-结构法，岩土体本构模型选用Drucker-Prager准则， 围岩、初期支护与衬砌之间的荷载传递采用接触单元进行处理。计算时，对围岩采用实体单元，其物理力学参数根据勘测结果与原位试验确定。锚杆加固区岩体的弹性模量值分别提高5%～20%，锚杆作用可通过适当提高加固区的材料特性参数值模拟。钢拱架和钢格栅采用等效刚度原则模拟，且通过增加衬砌的厚度来实现。材料物理力学参数见表1。

表1　材料物理力学参数

模型尺寸取值为：横向隧道左右各取50 m(4～5倍隧道跨度)，下边界竖直向下取50 m，竖直向上取50 m，埋深足够大；左右边界施加水平方向的约束，下边界施加竖直方向约束，上边界为自由边界。模型单元总数为53 760个，节点单元总数为56 088个。整体网格划分模型如图3所示。

图3　整体网格划分模型

4计算结果分析

4.1隧道衬砌厚度不足数值分析

根据柳梢沟隧道的衬砌检测结果，在建立模型进行数值分析时，简化了衬砌厚度在径向的变化，固定了病害的深度值，在此基础上研究沿隧道轴线方向的长度和沿隧道环向位置的病害对结构安全性影响的一般性规律。考虑隧道三维受力状态，本文将研究拱顶、拱腰和拱脚等位置衬砌厚度不足的情况。由实测结果可知，衬砌缺陷深度为1～15 cm，故本文进行缺陷深度分析时取深度的最大值15 cm，计算此时衬砌结构的安全性。隧道衬砌厚度不足结构模型如图4所示。

图4　衬砌厚度不足结构模型

4.1.1拱顶衬砌厚度不足时沿隧道轴线不同长度方向的受力

隧道开挖并施作了衬砌结构后，当拱顶衬砌结构出现厚度不足的缺陷时，拱顶压应力为2.28MPa，相比较无缺陷时的1.27 MPa发生了明显变化。衬砌无缺陷状况的第一和第三主应力云图如图5所示。拱顶厚度不足时，缺陷部位的压应力由1.33 MPa增至2.3 MPa，缺陷长度增至40 m时，缺陷区的压应力为2.5 MPa，如图6所示。由图6可以看出，缺陷出现时衬砌结构的应力发生了显著变化，但随着缺陷长度增加，缺陷部位的应力变化不大；非病害区或远离病害区的结构受力几乎没有发生变化；沿隧道轴线方向衬砌厚度发生突变的地方，衬砌结构的应力由1.33 MPa突变为3.12 MPa，其对结构影响较大；同时病害长度对衬砌结构受力的影响有一定范围限制。

图5　衬砌无缺陷状况第一和第三主应力云图

图6　拱顶衬砌厚度不足区域长40 m时衬砌第一和第三主应力云图

4.1.2右拱腰衬砌厚度不足时沿隧道轴线不同长度方向的受力

隧道施作衬砌结构后，衬砌受力将发生改变。右拱腰衬砌厚度不足缺陷长度增至50 m时的主应力云图如图7所示。由图7可以看出，拱腰纵向应力受影响的范围大于缺陷长度，缺陷截面上边墙所承受的应力最终从-3.44 MPa减至-2.59 MPa，缺陷位置处最大应力由原来0.77 MPa拉应力增至0.91 MPa压应力；第三主应力缺陷位置处的压应力从5.8 MPa增至8.2 MPa，拱顶应力由1.3 MPa增至2.4 MPa；边墙处的应力没有发生变化；随着缺陷长度增加，缺陷部位处的应力变化不大；缺陷长度对衬砌结构受力的影响较小，可以忽略。

4.1.3衬砌厚度不足对安全系数的影响规律

基于衬砌厚度不足时的衬砌结构内力分析，得出衬砌厚度不足对衬砌结构的安全性影响，如图 8～10所示。

由图8、图9可以看出，当拱顶存在厚度不足病害时，拱顶衬砌结构的安全系数随着缺陷长度的增加降低了17.9%，变化较大，拱腰的安全系数变化了约1.5%，没有发生明显变化；右拱腰出现衬砌厚度不足病害时，随着缺陷长度的增加，拱顶安全系数增加了3.6%，左拱腰的安全系数不变，右拱腰的安全系数降低了26.7%，变化较大，这是因为右拱腰处的厚度不均匀导致应力重分布，使得该处的应力增大。从图10可以看出，当缺陷长度同等、分布位置不同时，缺陷存在位置的安全系数要小于其没有缺陷时的安全系数，没有缺陷位置处的衬砌结构安全系数也不一样；同一缺陷随着缺陷长度的增加，安全系数变化不大，随着缺陷位置的改变，结构安全系数有所变化；缺陷的产生对纵向方向正常段的影响范围在15 m内。

图7　右拱腰衬砌厚度不足区域长50 m时衬砌第一和第三主应力云图

图8　拱顶衬砌厚度不足时截面安全系数分布

图9　右拱腰衬砌厚度不足时截面安全系数分布

图10　衬砌环向不同位置处缺陷对纵向

4.2衬砌背后空洞数值分析

4.2.1衬砌拱顶后存在空洞时沿隧道轴线不同长度方向的受力

隧道衬砌施作完成后，当拱顶衬砌结构背后出现空洞缺陷时，拱顶受到的压应力为1.27 MPa，相比无缺陷时0.87 MPa发生了较大变化。沿隧道轴线衬砌拱顶存在不同长度空洞时衬砌结构第一和第三主应力云图如图11所示。从图11可以看出，拱顶空洞部位的衬砌结构由于失去围岩的反作用力而承受了较大拉应力；拱腰处的拉应力随着拱顶衬砌背后空洞的出现，由1.02 MPa减至0.97 MPa，在缺陷作用范围内拱腰处的拉应力由0.97 MPa减至0.92 MPa，边墙处的最大拉应力没有发生变化。从图11还可以看出，随着拱顶衬砌缺陷的出现，拱顶空洞处的压应力由1.27 MPa减至0.87 MPa，拱腰和边墙处的压应力增大。随着空洞病害长度增大，边墙处的压应力随着长度的增加而增大，当空洞长度小于2.5 m时，衬砌结构各断面的应力没有发生明显变化；当空洞长度大于10 m小于25 m时，拱腰和边墙处的应力发生了明显变化；当空洞长度大于40 m时，边墙处的压应力不再发生明显的变化。同时，在空洞出现范围内，边墙处的应力没有发生明显变化；空洞范围外，应力发生了变化，且随着空洞长度的扩大，边墙处应力减小了0.01 MPa。

4.2.2衬砌右拱腰后存在空洞时沿隧道轴线不同长度方向的受力

隧道衬砌施作完成后，当右拱腰衬砌结构背后出现空洞缺陷时，拱腰受力相比较无缺陷时发生了较大变化。沿隧道轴线衬砌右拱腰存在不同长度空洞时衬砌结构第一和第三主应力云图如图12所示。从图12(a)和(c)可以看出，拱腰出现空洞缺陷时，拱腰空洞部位的衬砌结构由于失去围岩的反作用力，承受的拉应力由0.97 MPa逐渐增至1.12 MPa，拱顶和边墙处的第一主应力没有发生明显变化；随着空洞长度的增加，拱顶和边墙的应力受到影响，但变化不大。从图12(b)和(d)可以看出，随着拱腰衬砌空洞的出现，拱腰空洞处衬砌结构的第三主应力增大了0.1 MPa，变化不大；当空洞长度大于10 m时，随着空洞长度的增加，拱顶处的压应力变化越来越明显，且不断增大；边墙处的压应力增大，但变化不太明显。

图11　沿隧道轴线衬砌拱顶存在不同长度空洞时衬砌结构第一和第三主应力云图

图12　沿隧道轴线衬砌右拱腰存在不同长度空洞时衬砌结构第一和第三主应力云图

4.2.3衬砌后存在空洞对安全系数的影响规律

对衬砌背后存在空洞时的衬砌结构内力进行了分析，得到拱顶、拱腰的安全系数，如图13～15所示。

对衬砌背后无空洞和拱顶背后存在不同长度空洞时的安全系数进行分析，分析结果表明，当拱顶衬砌背后存在空洞时，拱顶衬砌结构的安全系数较无缺陷时的安全系数降低了10.8%，且随着空洞长度增加，拱顶部位的安全系数相应减小，但变化较为缓慢；拱腰部位在拱顶出现空洞缺陷时衬砌结构安全系数增加了5%，且随着空洞长度的增加而增加，其值趋于3.9。当右拱腰衬砌背后出现空洞病害时，衬砌结构右拱腰处的安全系数随着空洞的出现下降了7%，明显降低，拱顶安全性降低了4.7%，左拱腰的安全性提高了1.6%；随着空洞长度的增加，右拱腰的安全系数变化最为显著，拱顶、左拱腰次之，空洞长度大于10 m后，衬砌结构的安全系数变化缓慢。随着空洞长度的增加，结构整体安全性没有发生显著变化。空洞长度相同、分布位置不同时，空洞存在位置的安全系数要小于没有空洞时的安全系数。这是由于空洞的出现导致衬砌结构失去了围岩的反作用力，且承受的拉应力逐渐增大，空洞周围出现了应力集中现象；同一空洞随着长度的增加，安全系数变化不大，且随着空洞位置的改变，结构安全系数变化较大。

图13　拱顶衬砌背后存在空洞时截面安全系数分布

图14　右拱腰衬砌背后存在空洞时截面安全系数分布

图15　隧道环向不同位置纵向长度上的安全系数分布

5结论

本文通过物理力学建模并采用三维有限元软件分析了不同位置和不同长度下空洞对隧道衬砌结构安全性的影响，并得出以下结论。

1) 衬砌结构存在空洞时，空洞范围内及其附近的受力状况会受到影响，导致空洞范围内的部分单元和紧邻空洞衬砌单元的安全系数发生明显变化，但距空洞较远或没有施工缺陷一侧的衬砌结构基本不受影响。

2) 衬砌厚度不足会导致衬砌结构刚度降低，刚度发生突变处的应力变化较为明显。衬砌背后空洞致使结构在空洞周围的应力产生集中，结构受力变化较为突出。

3) 存在空洞时，隧道衬砌结构纵向的结构安全系数表现为：在空洞缺陷作用下，衬砌结构沿隧道纵向在拱顶和拱腰处表现出相似的变化规律，在空洞缺陷突变位置结构的安全性变化最大，非空洞缺陷区结构沿隧道纵向的安全性影响范围在15 m范围内。随着空洞长度的增加，安全系数变化速率逐渐减小。

参 考 文 献

[1]杨萍.公路隧道衬砌背后缺陷风险性评估研究[J].中国安全科学报，2011，21(1)：130-134.

[2]路美丽，刘维宁，罗富荣，等.隧道与地下工程风险评估方法研究进展[J].工程地质学报，2006，14(4)：462-468.

[3]刘庭金，朱合华，丁文其.某高速隧道二次衬砌安全性分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23(2)：75-78.

[4]王勇.隧道施工数值模拟及衬砌强度安全系数分析[J].岩土工程技术，2004，10(5)：258-261.

[5]刘金松.倾斜岩层中隧道衬砌裂缝产生机理及其稳定性研究[D].长沙：中南大学，2007.

[6]谢锋，周源.公路隧道衬砌背后空洞对围岩压力分布影响的研究[J].公路交通技术，2014(3)：100-104.

[7]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[8]冯晓燕.隧道病害分级和衬砌损伤整治技术研究[D].北京：北京交通大学，2002.

[9]CHARLES FAIRHURST，JUE MIN PEI.A CoMParison Between the Distinct Element Method and the Finite Element Method of Analysis of the Stability of an Excavation in Jointed Rock[J].Tunnel ling and Underground Space Technology，1990，5(1)：111-117.

[10]M A MEGUID，H K DANG.The effect of erosion voids on existing tunnel linings [J].Tunneling and Underground Space Technology，2009，24(3)：278-286.

[11]J S CHEN，H H MO.Numerical study on crack problems in segments of shield tunnel using finite element method [J].Tunneling and Underground Space Technology，2009，24：91-102.

[12]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[13]李明，陈洪凯，熊峰伟.隧道衬砌背后空洞健康判据试验研究[J].重庆交通大学(自然科学版)，2011(3)：398-402.

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

Research on Influences of Construction Defects of Tunnel Lining on Structure Safety

WANG Xingbo1, MA Long2, LI Mingfeng2, YANG Chao2

Abstract:This paper studies influences of 3 diseases, i.e. insufficient lining thickness, cavity on lining back and cracks on lining structure on safety of lining structure by means of research means such as theoretical analysis and numerical simulation, etc. and based on the principle of stratum-structure method, and obtains the change rules of stress and safety factor of lining structure when the defects exist at different positions of lining structure and on different lengths in longitudinal direction along the tunnel to provide a basis for safety evaluation of tunnel structure and later operation monitoring.

Keywords:tunnel; insufficient thickness; cavity; crack; safety factor

文章编号：1009-6477(2016)02-0102-06

中图分类号：U459.2

文献标识码：A

作者简介：王兴波(1970-)，男，安徽省合肥市人，本科，工程师。

收稿日期：2015-09-15

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.023