衬砌背后含水空洞对隧道结构安全的影响分析

黄 玲，陈飞昕

（1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500；2.广东技术师范学院机电学院，广东 广州 510665）

衬砌背后含水空洞对隧道结构安全的影响分析

黄 玲1，陈飞昕2

（1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500；2.广东技术师范学院机电学院，广东 广州 510665）

衬砌背后含水空洞的存在对隧道结构的受力状态影响更为复杂，直接影响工程安全性.以某分离式六车道高速公路隧道为例，采用 MIDAS/GTS有限元软件，建立衬砌背后含水空洞的荷载结构模型，分别对拱顶、拱肩和拱腰处不同范围含水空洞的隧道断面结构安全状况进行计算分析.计算结果表明：隧道衬砌在无空洞时有最大的结构安全系数；拱顶含水空洞对衬砌结构安全状况影响最大，拱肩次之，拱腰最小；当衬砌背后含水空洞范围大于 10°时，隧道结构的安全储备将明显下降.

公路隧道；衬砌；含水空洞；安全系数

0 引言

目前，我国正处于铁路隧道和公路隧道的高速建设阶段.由于隧道断面设计尺寸的多样、地质条件的复杂、施工方法差异及隧道维护管理等因素，引起隧道结构内部的缺陷，进而影响隧道结构的整体稳定性［1］.隧道结构内部缺陷主要体现在衬砌背后空洞、衬砌强度及厚度不足等问题上［2］.其中，衬砌背后空洞是隧道最常见的病害之一［2-3］.当衬砌背后存在空洞时，该衬砌由于受不均匀荷载影响，往往伴随着不同程度的结构开裂现象，而充水空洞处还将出现渗漏水等病害.此外，空洞附近的围岩在车辆荷载、地下水等影响下可能出现松动，造成围岩的失稳，严重时将导致运营隧道出现塌方等事故，给隧道结构自身和隧道内行车安全带来很大的威胁［4-5］.衬砌背后空洞，特别是含水空洞已经成为隧道衬砌病害变异的主要原因之一.

当前国内外对衬砌背后空洞的研究大多集中在隧道拱顶位置出现空洞时的情况，未特别地考虑空洞位置变动及与其他灾害耦合发生的情况，因此对于充水空洞引发的隧道结构安全问题的针对性研究较少［5-6］.本文以某分离式六车道高速公路隧道为例，采用MIDAS/GTS有限元软件，模拟计算不同位置不同范围的含水空洞隧道模型，并且基于数据分析影响隧道衬砌结构安全状况的因素.本项工作有利于进一步讨论隧道结构设计和施工方法的优化，进而可以指导公路隧道的养护维修工作.

1 计算模型及参数

某分离式六车道高速公路隧道，隧道主洞拱部为三心圆曲边墙结构，拱顶净高为 8m，净宽为 15.2m，净空面积为 118.81m2.隧道衬砌为C30混凝土结构，具体的材料参数见表1.该隧道埋深为25m，围岩主要以 V级为主，且隧道结构位于含水丰富的岩层土中，水位标高为 10m.该隧道含水空洞主要存在于隧道衬砌的拱顶、拱肩和拱腰处.

由于隧道纵向长度远大于隧道横断面的尺寸，且衬砌结构主要受垂直于隧道横断面的作用力，将内部结构计算简化为平面应变问题，计算将采用荷载-结构法.其中，隧道拱顶含水空洞的数值计算模型如图 1所示.

表1 衬砌材料参数

图1 拱顶含水空洞计算模型

隧道结构所受的结构荷载按照现行 《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）［7］确定.当衬砌背后无空洞时，隧道衬砌主要受围岩的约束作用，围岩的弹性抗力只产生在被压衬砌上.深埋隧道结构所受的垂直均布压力荷载 q为：

式中，s为围岩级别，γ为围岩重度，ω为宽度影响系数；对于V级围岩，水平均布压力e为（0.3-0.5）q.为了确保衬砌结构的安全，衬砌结构的荷载分担比例按照围岩级别的最高释放荷载来进行选定，V级围岩释放荷载为80%.

当衬砌背后或围岩存在含水空洞时，空洞区段不能产生充分的地层压力，且不受围岩的垂直和水平压力荷载作用，衬砌外缘仅受法向水压力作用.水压力的计算可按照下式进行：

式中，H为地下水位高度；γ为水的重度；β为水压力折减系数，该系数可根据《水工隧道设计规范》（SL279-2002）［8］进行选定.围岩结构物理力学参数如表 2所示.

表2 围岩结构物理力学参数

2 计算结果与分析

式中，Ra为抗压强度，N为轴向力，b和 h分别为截面宽度和厚度，φ为结构纵向弯曲系数，α为轴向力的偏心影响系数.

2.1 拱顶含水空洞对隧道衬砌结构安全影响分析

隧道拱顶存在不同范围含水空洞的衬砌结构安全系数如图 2所示，最小安全系数变化趋势如图 3所示.从图中可以看出，隧道衬砌在无空洞时，各单元结构安全系数最大.其中，拱顶处有最大值， 为 19.08； 拱脚处有最小值，为6.03.其次，随着拱顶空洞范围的增大，衬砌结构整体安全系数和最小安全系数呈逐步下降趋势，且左右侧衬砌结构安全系数变化基本相同.其中，空洞范围达到30%时，拱顶单元结构安全

图2 拱顶不同范围含水空洞的衬砌结构安全系数

图3 拱顶不同范围含水空洞的衬砌结构最小安全系数

由于含水空洞沿隧道横断面范围不大，在仿真计算中考虑的工况分别为隧道拱顶、拱肩和拱腰处存在不同范围的含水空洞.根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004），分析衬砌背后空洞对隧道结构的安全性影响.衬砌结构的安全系数K为：系数从无空洞时 19.08减小至 7.12，拱肩单元从 9.35减小至 4.12，拱腰单元从 6.63减小至3.52.由此可见，当含水空洞处于隧道拱顶位置时，拱顶单元结构的安全系数变化最大，拱肩次之，拱腰最小.另一方面，隧道衬砌结构在空洞较小时，最小安全系数亦急剧减小，说明含水空洞处于拱顶位置时，会对隧道结构的受力及由此引起的变心产生显著的影响.

2.2 拱肩含水空洞对隧道衬砌结构安全影响分析

隧道右侧拱肩位置存在不同范围含水空洞的衬砌结构安全系数如图 4所示，最小安全系数的变化如图 5所示.图中显示，随着拱肩处含水空洞范围的增大，衬砌结构安全系数和最小安全系数整体同样呈逐步下降趋势，然而，含水空洞所在的右侧拱肩处安全系数降低速率却较左侧拱肩处慢.分析这种现象，可以认为：虽然含水空洞的存在使空洞处衬砌受水压力的影响，但空洞处不能产生充分的地层压力，导致隧道空洞附近衬砌结构受到偏压荷载影响，使得空洞处的变形和受力增加较小，因此其安全系数的减小反而慢于无空洞结构部位.此外，当右侧拱肩空洞范围达到 30%时，拱顶单元结构安全系数减小至 5.78，拱肩单元减小至 5.5，拱腰单元减小至 3.61.进一步对比图 2和图 4，可以看出，右侧拱肩空洞对拱顶单元的安全系数影响较大，而拱顶空洞对隧道衬砌整体的安全系数影响较拱肩空洞大.

图4 右侧拱肩不同范围含水空洞的衬砌结构安全系数

图5 右侧拱肩不同范围含水空洞的衬砌结构最小安全系数

2.3 拱腰含水空洞对隧道衬砌结构安全影响分析

隧道右侧拱腰存在不同范围含水空洞的衬砌结构安全系数如图 6所示，最小安全系数变化趋势如图7所示.分析图示数据，可以看出：首先，随着拱腰空洞范围的增大，右侧拱腰空洞处由于不能产生充分的地层压力，该位置的结构安全系数降低较其他单元慢，而空洞两侧单元由于受偏压荷载影响，安全系数急剧减小；其次，数据显示，当右侧拱腰空洞范围达到 30%时，拱顶单元截面安全系数减小至 10.81，拱肩单元减小至6.96，拱腰单元减小至6.38.详细比较图2、4和6，根据整体安全系数变化的大小，进一步了解水空洞的位置对隧道衬砌结构的整体安全影响的差异，其中拱顶空洞的影响最大，拱肩次之，拱腰最小.当衬砌背后含水空洞范围大于10°时，隧道结构的安全储备将明显下降，必须采取有效措施，确保隧道结构的安全性、耐久性.

图6 右侧拱腰不同范围含水空洞的衬砌结构安全系数

图7 右侧拱腰不同范围含水空洞的衬砌结构最小安全系数

图7表明，在小范围拱腰空洞时，衬砌结构最小安全系数呈小幅度增大，随后迅速减小.表明了拱腰小范围充水空洞对衬砌结构受力和变形不大，但由于隧道衬砌结构所受到的外力的减小，截面的最小安全系数将有所增加.而随着脱空范围增大，围岩的约束作用改变，随着衬砌偏压荷载增大，衬砌结构变形将增加，最小安全系数逐步减小.

3 结论

本文以某分离式六车道高速公路隧道为例，基于有限元方法，计算分析了隧道衬砌背后拱顶、拱肩和拱腰处存在不同范围含水空洞的衬砌结构安全状况，根据结果数据分析，主要有以下结论：

(1)隧道衬砌在无空洞时，各单元结构安全系数最大.其中，拱顶处有最大值，拱脚处有最小值.

(2)随着拱顶和拱肩含水空洞范围的增大，衬砌结构安全系数和最小安全系数整体呈逐步下降趋势，而拱腰处存在小范围拱腰空洞时，衬砌结构最小安全系数呈小幅度增大，尔后迅速减小.

(3)拱顶含水空洞将使隧道衬砌结构整体安全系数变化最大，拱肩次之，拱腰最小.

(4)当衬砌背后含水空洞范围大于 10°时，由于衬砌结构的偏压荷载将使隧道结构的变形和受力增大，隧道结构的安全储备将明显下降.此时，必须采取有效措施，确保隧道结构的安全性、耐久性.

［1］周成涛,陈俊涛.衬砌背后矩形空洞对隧道初支应力分析［J］.重庆大学学报,2012,35(12)：106-111.

［2］张素磊,张顶立,刘胜春,陈峰宾.基于对应分析模型的隧道衬砌病害主成因挖掘 ［J］.中国铁道科学.? 2012(02)：55-58.

［3］袁成海,汤晓辉,伍毅敏.隧道二次衬砌空洞的成因与对策［J］.交通标准化,2010,221：109-112.

［4］张素磊,张顶立,刘胜春等.基于对应分析模型的隧道衬砌病害主成因挖掘 ［J］.中国铁道科学,2012, 33(2)：54-58.

［5］WANG J F,HUANG H W,XIE X Y,et al.Void-induced liner deformation and stress redistribution［J］.Tunneling and Underground Space Technology,2014,40(2)：263-276.

［6］张成平,冯岗,张旭等.衬砌背后双空洞影响下隧道结构的安全状态分析 ［J］.岩土工程学报，2015,37 (3)：487-493.

［7］JTG D70-2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社,2004.

［8］SL279-2002水工隧道设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社,2002.

［责任编辑：王晓军］

Impact Analysis of Water-filled Cavities behind Lining for Tunnel Structure Safety

HUANG Ling1，CHEN Feixin2
(1.Guangdong Provincial Academy of Building Research,Guangzhou 51500；2.College of Electromechanical Engineering,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou 510665,China)

The existence of water-filled cavities behind lining leads to the more complicated stress for tunnel, which might easily cause tunnel disasters.In a separate six-lane highway tunnel,for example,use MIDAS/GTS finite element software,to establish the load structure model of water-filled cavities,respectively calculate and analyze the safety situation of cavities with water tunnel section structure in different range of vault,arch and haunch.The calculation shows that tunnel lining without cavities has the largest structural safety factor.The cavities with water of vault have greatest impact for lining structural safety situation.When the range of cavities with water behind lining is more than 10°,tunnel structure safety margin will be significantly decreased.

highway tunnel;lining;water-filled cavities;safety factor

TU 997

B

1672-402X（2016）08-0037-04

2016-03-20

广东技术师范学院博士科研启动项目（4090108）

黄玲（1988-），女，广东兴宁人，硕士，广东省建筑科学研究集团股份有限公司工程师，研究方向：隧道与地下工程.

陈飞昕（1981-），女，福建仙游人，博士，广东技术师范学院讲师，研究方向：结构振动理论及其应用.