高速公路隧道衬砌背后脱空及欠厚裂损机理研究

李 柱谢 锋

（1.重庆水利电力职业技术学院 重庆 402160 2.重庆市武隆区交通委员会 重庆 408500）

高速公路隧道衬砌背后脱空及欠厚裂损机理研究

李 柱1谢 锋2

（1.重庆水利电力职业技术学院 重庆 402160 2.重庆市武隆区交通委员会 重庆 408500）

二次衬砌背后脱空及欠厚是造成隧道裂损病害的主要原因之一，如果处治不及时，衬砌结构会进一步损坏乃至缩短公路隧道的维护周期和使用寿命。本文通过利用ANSYS对高速公路隧道进行了数值模拟，研究分析了隧道拱部、边墙及两个位置同时存在衬砌欠厚及空洞这三种情况下，衬砌的受力特性及变形特点，通过内力特征，分析了其裂损机理，为类似隧道的病害处治提供了科学依据。

公路隧道；力学特性；空洞；衬砌欠厚；裂损

1 引言

近年来我国不断扩大交通基础设施建设规模，高速公路建设迅猛发展，在西部山区为改善线型、降低纵坡，以保障行车的安全性、舒适性和快捷性，公路隧道的数量和路线总里程的比例越来越高，比如武隆至水江高速公路重庆段隧道占路线长度比例高达 52.6%。目前，我国已成为世界上隧道工程最多、发展最快的国家[1-5]。通过对重庆地区彭武高速、绕城高速南段、石忠高速、武水高速上的10座隧道作为样本进行了统计研究（以上10座隧道单洞长度达61930.41m，共有各类裂缝16750条，裂缝类型分布见表1 裂缝类型分布表）。调查发现，当二次衬砌存在施工缺陷（常见为拱墙背后空洞、衬砌厚度不足）时，二次衬砌均出现了裂缝，各类型隧道缺陷引起衬砌各类型裂缝分布见表2所示。

为这些裂损病害分析及处治对策提供科学依据，同时为将来隧道修建提供有效经验，本文采用有限元软件ANSYS对隧道不同部位存在衬砌欠厚及空洞情况进行了受力特征分析，得出了其裂损机理，为隧道裂损处治范围及方法提供了重要的参考依据。

表1 裂缝类型分布表

表2 各类缺陷引起衬砌裂缝分布表

2 计算模型的建立

本文利用大型通用有限元软件ANSYS通过荷载结构法进行数值计算，本次主要针对Ⅳ级围岩，在深埋条件下隧道拱部、边墙分别和同时存在衬砌欠厚及空洞这三种情况进行分析。由于本次研究的隧道主要是两车道隧道，故本文计算模型的主要材料参数如下：隧道只考虑二次衬砌，采用C30混凝土，厚度为45cm，洞跨为12米，具体物理力学指标见表3。根据有限元原理，其计算模型建立方法如下[6-9]：

（1）围岩压力按《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)计算；

（2）模型衬砌采用BEAM3单元模拟；

（3）围岩弹性抗力采用COMBINE14单元模拟；

（4）围岩竖向和水平向的分布荷载，其等效节点力分别近似的取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和；

（5）自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加；

（6）当衬砌背后存在空洞时，在空洞处不施加荷载及地层抗力，模型见图1所示。

表3 材料计算物理力学指标Table 2 the physical and mechanical indexes of materials

图1 计算模型图

3 结果分析

3.1 拱部衬砌欠厚及脱空缺陷分析

隧道拱部是空洞最易出现的位置，本次分别针对拱部300及1200范围存在空洞及衬砌厚度不足条件下，计算出相应衬砌的位移及内力，见图2～图7。

图2 拱部300存在缺陷时衬砌位移图

图3 拱部300存在缺陷时衬砌轴力图

图4 拱部300存在缺陷时衬砌弯矩图

图5 拱部1200存在缺陷时衬砌位移图

图6 拱部1200存在缺陷时衬砌轴力图

图7 拱部1200存在缺陷时衬砌弯矩图

由上述计算结果可知，无论空洞大小，其变形及内力分布规律基本相同：（1）在围岩压力作用下，空洞部位因无被动抗力约束而向上抬起，两拱腰为最不利受力位置，向内位移及负弯矩最大，在荷载作用下，拱腰处最先出现裂缝；（2）对于正弯矩，其大小分布情况为：拱顶最大，边墙次之，但对于轴力，衬砌均受压，边墙处轴力大于拱部。当荷载不断增加时，空洞衬砌外侧应拉应力较大而开裂，在边墙内侧，因弯矩产生的压应力与轴力叠加，该处会出现压裂缝；（3）当拱部空洞扩大时，边墙与拱部位移、最大弯矩将增大，并且位置将出现上移，因此，其开裂位置也将上移，荷载增加时，空洞范围大者也较小者向出现裂缝。

3.2 边墙衬砌欠厚及脱空缺陷分析

当衬砌边墙出现空洞及欠厚时，根据上述计算模型可计算出衬砌位移及内力，见图8～图10。

图8 左侧边墙存在缺陷时衬砌位移图

图9 左侧边墙存在缺陷时衬砌弯矩图

图10 左侧边墙存在缺陷时衬砌轴力图

根据以上计算结果可知：（1）衬砌向内位移最大处为拱顶靠空洞侧，向外位移最大处为空洞位置；（2）当回填层施做后，最大正弯矩为空洞位置，最大负弯矩为空洞上方边缘；（3）在空洞处，当荷载增加时，因弯矩在内侧产生的压应力与轴力叠加，会出现较大的压应力，因压应力过大会压裂缝；（4）在空洞上方，因轴力较小，在衬砌内侧，会产生拉应力，其因轴力产生的抵消部分较小，因此该处会出现拉裂缝。

3.3 不同部位衬砌同时存在欠厚及脱空缺陷分析

图11 左侧边墙及拱顶均存在缺陷时衬砌位移图

图12 左侧边墙及拱顶均存在缺陷时衬砌轴力图

图13 左侧边墙及拱顶均存在缺陷时衬砌弯矩图

当衬砌拱部及边墙均出现空洞时，由下图11～13可知：（1）衬砌位移特征：向内位移最大处为拱腰靠空洞侧，其次为对应的另侧拱腰处，向外位移最大处为边墙空洞位置；（2）内力特征：正弯矩大小分布为边墙空洞处最大，其次为拱顶空洞处；回填层施做后，负弯矩最大值为拱腰靠空洞侧，对应的另侧拱腰处次之。对于轴力基本呈对称状，拱顶至边墙逐渐增大；（3）在空洞处，当荷载增加时因弯矩在内侧产生的压应力与轴力叠加，会出现较大的压应力，因压应力过大会首先在空洞处出现压裂缝；（4）在空洞侧拱腰处，因弯矩作用会产生拉应力，其因轴力较小，对弯矩产生的拉应力抵消部分较小，因此，该处会出现拉裂缝，在密实侧拱腰处也将相继出现拉裂缝。

4 结论

通过对隧道拱部、边墙及两个位置同时存在衬砌欠厚及空洞这三种情况进行数值模拟分析后可得出以下结论：

（1）当拱顶存在空洞时，拱腰首先出现裂缝，随着后期荷载增加时，空洞衬砌外侧应拉应力较大而开裂，在边墙内侧，出现压裂缝；

（2）当拱部空洞扩大时，开裂位置将向上移动，荷载增加时，空洞范围大者较小者先出现裂缝；

（3）当边墙出现空洞时，随着后期荷载的增加，在空洞处会出现压裂缝；在空洞上方的衬砌内侧，会出现拉裂缝；

（4）当荷载增加时，对于边墙和拱顶均存在空洞时，随着后期荷载的增加，首先在空洞处出现压裂缝；其次，在空洞侧拱腰处，会出现拉裂缝，最后在密实侧拱腰处将相继出现拉裂缝。

[1]王建宇.隧道工程的技术进步[M].北京：中国铁道出版社.2004

[2]刘启琛;王建宇;谢泰极.隧道锚喷支护的理论与实践[J].北京.铁道学报.1979.02

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[4]贾志清.铁路运营隧道病害状态检测及其机理分析[D].北京交通大学硕士学位论文,北京,2005.

[5]吴江滨,张顶立,王梦恕.铁路运营隧道病害现状及检测评估[J].中国安全科学学报,2003年6月,第13卷第6期,49～52

[6]交通部部颁标准.公路隧道设计规范(JTG D70-2004)[S].北京：人民交通出版社.2004

[7]交通部部颁标准.公路隧道施工技术规范.北京：人民交通出版社.1995

[8]陈岱林.钢筋混凝土构件设计原理及算例.北京：中国建筑工业出版社，2005

[9]徐干成.粘弹性边界元法预测锚喷支护隧道围岩稳定性[J].岩土力学，2001，22(l):12-15.

Study on the mechanism of void and lack thickness of expressway tunnel lining

LI Zhu1，XIE Feng2
（ 1.Chongqing Water Resources And Electric Engineering College,Chongqing 402160;2.Traffic committee of Wulong，Chongqing 408500）

The problem of insufficient thickness and voids of lining is one of the main causes of tunnel cracking,and if the treatment to the cracking is not timely,lining structure will be further damaged,or even shorten the maintenance period and service life of highway tunnels.Mechanical properties and deformation characteristics of lining structure with the problem of insufficient thickness and voids are studied by finite numerical simulation.The result shows that:When the hole is in the vault,hance will first crack;When the hole in the arc part is larger,the position of cracking will be moving up;When the hole is in the side wall,side wall will first crack;When the holes are in the vault and side wall,the vault and side wall will both first crack.

Tunnel;ANSYS;Mechanical properties;void;Lack thickness of lining;Cracks

TU714

B

1007-6344（2017）02-0255-03

李柱(1981—），女，四川自贡人，硕士，讲师，研究方向：隧道工程。