隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学性能的影响性研究

2016-11-15赵文斌

山西交通科技 2016年5期

赵文斌

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西太原 030006）

0 引言

随着国家高速公路网的不断完善及西部大开发战略的不断实施，我国高速公路逐步向崇山峻岭地区迈进，公路隧道所面临的水文地质、围岩类型、地形地貌等情况越来越复杂，从而导致隧道衬砌背后空洞、软弱围岩、大变形等病害越来越多。其中，运营隧道衬砌背后空洞是其主要病害，并逐渐成为隧道病害防治的一大热点问题[1]。由于隧道衬砌背后空洞病害极大地减弱了隧道支护结构与围岩之间的相互作用，使得隧道支护结构失去抗力支持且受到不均匀荷载，进而引发隧道衬砌开裂、变形、掉块、渗漏水等病害。因此研究隧道衬砌背后空洞对支护结构力学特性的影响，进而为隧道病害防治提供技术支撑。

目前，国内外学者对隧道衬砌背后空洞已开展了大量的研究。彭跃[2]等利用数值模拟对隧道不同部位衬砌背后存在不同范围空洞的安全系数进行了研究；曹学强[3]等采用有限元数值模拟方法对隧道结构及空洞进行了研究，并计算了具有不同冲击力的隧道空洞落石作用下结构的安全系数。佘建[4]等研究了衬砌结构在不同空洞位置、不同应力场作用下的病害形式、规律以及结构承载力的特点；陈俊涛[5]研究了隧道拱顶存在空洞时隧道围岩、初期支护结构的力学特性。本文结合依托工程，针对隧道衬砌背后不同部位存在空洞的工况进行室内模型试验，在此基础上进行有限元数值模拟，从而利用模型试验与数值模拟试验结果相互验证，共同得出隧道衬砌背后空洞对支护结构力学特性的影响，以期为今后类似工程提供理论指导。

1 工程概况

某公路隧道为越岭分离式隧道，全长1 065 m，限界总宽10.5 m，净高5.0 m，隧道左右线中心距50 m。该隧址区内地形起伏较大，山势陡峻，相对高差约200 m，最大埋深140 m。隧道进口段发育一条正断层，层面产状为 330°∠65°，断距 10～12 m，断层带内岩体破碎。隧址区内出露二迭系上统砂岩、砂质泥岩，部分地段覆盖第四系更新统坡积层碎石土，洞身围岩节理裂隙发育。隧址区内地下水类型主要为基岩裂隙水，受大气降水控制。

该隧道在施工过程中，当左洞开挖至SZK90+989时，掌子面发生大型塌方，塌方量达1 000 m3。根据塌方段现场揭示的情况显示，其围岩风化程度严重，呈破碎状，在地下水侵蚀下形成塌方。随后，施工单位先后采用人工假顶、塌腔内泵送粉煤灰等措施通过塌方段；但该隧道段在运营期逐渐出现衬砌开裂、渗漏水等病害，利用地质雷达对该隧道段衬砌检测后发现，其拱顶和左右拱腰背后有大量空洞。为进一步调查该隧道段衬砌背后空洞情况，在该隧道段选取4个断面共计36个检测点，采用钻芯法进行检测，结果显示其空洞数为15个，达到总数的43%，最大空洞深度达0.5 m，且原塌腔内回填的粉煤灰并不密实，形成了衬砌背后空洞段。

2 室内模型试验研究

2.1 试验设备

本试验采用平面应变三向加载力学模型试验系统，该系统主要由支撑系统、加载系统、测试系统三大部分构成，其整体结构如图1所示。该模型试验整体尺寸为50 cm×50 cm×20 cm，其隧道结构模型最大直径可达16 cm。加载系统采用液压千斤顶及液压伺服系统，加载最大值可达10 MPa，其加载过程为分级施加，每级荷载增加值为0.3 MPa。

图1 模型试验装置结构示意图

2.2 测试方案及监测元件布设

结合依托工程实际情况，本文针对隧道衬砌背后空洞病害，采用模型试验模拟分析两种工况，即拱顶上方（工况一）、右侧拱腰衬砌背后存在空洞（工况二）。为测取隧道衬砌背后存在空洞情况下的隧道支护结构力学特性，本试验采用电阻应变片粘贴在隧道衬砌内侧，并在模型中埋设电阻应变式土压力计以测取其围岩压力，土压力计量程为0～5 MPa。电阻应变片及土压力计数据均采用36通道的静态应变数据系统采集，具体情况如图2、图3所示。

图2 电阻应变片

图3 土压力计

为准确分析隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学特性的影响情况，本试验在隧道衬砌表面的拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚及仰拱部位分别粘贴电阻应变片；并沿隧道围岩压力分布的5条特征方向线上均匀埋设电阻应变式土压力计，其监测元件具体布设位置如图4所示。

图4 测试元件布设位置

2.3 试验结果的分析

在本试验中，分别测取不同工况下隧道衬砌结构在极限承载状态、加载稳定状态及最终破坏状态时的切向应力值（其值分别用()、[]、{}表示），其具体结果如图5、图6所示。

图5 工况一隧道衬砌切向应力值（单位：MPa）

图6 工况二隧道衬砌切向应力值（单位：MPa）

对于拱顶部位衬砌背后存在空洞的工况，当水平荷载增加至0.6 MPa时，拱顶部位和左侧边墙部位的衬砌逐渐出现裂缝，随着荷载的不断增加，裂缝沿隧道轴向逐渐发展，衬砌结构达到极限承载状态。此原因在于水平荷载的不断增加使得拱顶产生向上的变形，而拱顶衬砌背后的空洞导致其无法产生抗力，导致该处最早产生裂缝；同时水平方向受力极不均匀，导致左侧边墙也出现了裂缝。从图5中可以看出，在最终破坏状态时，左侧边墙应力达到了7.60 MPa，明显大于右侧边墙应力值；此时拱顶衬砌应力值为2.10 MPa，明显大于拱肩、拱脚部位的衬砌应力值。

对于右侧拱腰衬砌背后存在空洞的工况，当水平荷载增加至0.5 MPa时，右侧拱腰部位衬砌向内产生较大的变形量，该处最早产生裂缝；同时，仰拱部位由于截面曲率较小，应力较为集中，其拱脚部位向内变形量也较大。随着荷载的不断增加，右侧边墙部位衬砌背后空洞使得其抗力不足，空洞边缘处的裂缝沿隧道轴向不断发展。从图6中可以看出，在极限承载状态下，右侧拱脚处的衬砌应力为2.68 MPa，远大于左侧拱脚处的衬砌应力，且随着荷载的不断增加，达到最终破坏状态时，右侧拱脚处的衬砌应力为2.06 MPa，仍大于左侧拱脚处的衬砌应力。

3 有限元数值模拟研究

3.1 参数选取及模型建立

由于本模型试验采用二维平面模型，不考虑围岩、初期支护、二次衬砌的自重，因此初期支护可采用平面梁单元BEAM3来模拟，其模量取钢拱架与混凝土的平均值，并利用平面梁单元来分析加载状态下初期支护的应力应变情况；而围岩和二次衬砌采用实体单元PLANE42来模拟[6]。各类材料的物理力学参数如表1所示。

表1 各类材料的物理力学参数值选取

在本模型的建立过程中，为最大限度地消除二维有限元数值模型边界条件对模拟结果的影响误差，该模型的边界条件按以下条件进行选取：水平方向左右各取3倍的隧道洞径，垂直方向上下各取3倍的隧道净高，其具体模型网格划分情况如图7所示。

3.2 数值模拟结果分析

为深入分析不同工况下的隧道支护结构力学特性，本模型试验提取出了不同工况下隧道衬砌结构弯矩值，具体情况如图8、图9所示。

图7 模型网格划分图（单位：m）

图8 工况一状态下衬砌弯矩图

图9 工况二状态下衬砌弯矩图

由图8可以看出，当隧道拱顶部位衬砌背后存在空洞时，拱顶及两侧拱脚处均承受较大的负弯矩。随着荷载的不断增加，拱顶处承受的负弯矩绝对值不断增大，而拱肩及仰拱部位的弯矩绝对值不断减小。此原因在于拱顶部位衬砌背后空洞减弱了其支护结构与围岩之间的相互作用力，在荷载作用下该处产生应力集中现象。

由图9可以看出，当隧道右侧边墙部位衬砌背后存在空洞时，右侧边墙产生较大的弯矩值，随着荷载的进一步增大，弯矩值及其分布范围不断增大，而左侧拱脚处的负弯矩绝对值也不断增大。此原因在于，右侧边墙衬砌背后空洞导致该处发生了应力集中现象，同时在水平荷载作用下，支护结构受力不均匀，在左侧拱脚处也产生了应力集中现象。

由此可见，数值模拟结果与室内模型试验结果基本吻合，隧道衬砌背后空洞将减弱其支护结构与围岩的相互作用，严重影响支护结构力学特性；隧道支护结构极易在空洞处产生应力集中现象。因此，应及时对衬砌背后空洞进行注浆回填，防止隧道衬砌病害的进一步发展。