隧道施工因素对衬砌结构安全性影响评价研究*

2021-10-22田志宇李世琦

施工技术(中英文) 2021年16期

向龙，田志宇，王俊，唐锐，李世琦，聂亮，何佳

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041)

0 引言

随着我国经济的发展，地面空间有限，隧道与地下工程发展迅速。大部分隧道结构设计年限为100年，对隧道结构承载力、耐久性等提出了更高的要求。然而，受地质条件、地下水腐蚀及钙化、气候条件、设计、施工、运营管理等因素影响，隧道病害越来越多，部分隧道在建设过程中或运营几年后就出现开裂、掉块、变形、渗漏水等病害。目前国内隧道建设主要采用爆破法，机械化程度不足，施工工序繁多，存在不少潜在危险源，在施工过程中，易形成施工缺陷，引起隧道病害。这些病害影响隧道作为快速安全交通通道的功能，且维修加固成本高，存在严重的安全隐患。

近年来，众多学者通过理论与数值分析、现场原位试验及室内相似模型试验等方法，对隧道施工缺陷进行研究。王敏等[1]对黄土隧道衬砌背后空洞进行平面弹塑性计算，分析不同位置、不同大小的空洞及空洞群对结构各截面受力及位移的影响；刘海京等[2]研究了隧道衬砌背后空洞对其变异的影响；佘健等[3]通过相似模型试验法研究了不同应力场下隧道变异特征并提出相应加固措施；宋瑞刚等[4]针对铁路运营隧道病害检测结果，利用地层结构法分析了衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响；张伟等[5]分析了公路隧道衬砌裂缝成因，并运用数值模拟进行验证；姚铁军等[6]分析了隧道衬砌裂拱机理，并总结出整治措施。本文结合隧道施工建设中易出现的衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、衬砌混凝土强度不足、初期支护钢架间距不足、衬砌钢筋层间距不足等施工质量问题进行数值模拟计算，分析评价各缺陷因素对隧道结构安全性和稳定性的影响。

1 数值模拟计算

以两车道公路隧道为模型，对V级围岩钢筋混凝土衬砌及素混凝土结构进行荷载结构法计算，均按JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范第一册土建工程》计算方法对施工质量问题进行数值模拟计算分析研究。所有计算均由基于通用有限元程序ANSYS和面向对象设计语言.net开发的隧道全自动结构计算软件V2.0完成。

田志宇等[7-11]在相关文献中推导了隧道结构安全系数的计算公式，本文不做赘述。

1.1 结构计算参数

结构设计参数如表1所示。

表1 衬砌支护参数 cm

对V级围岩钢筋混凝土衬砌及素混凝土衬砌结构进行计算，主要材料为岩土、支护结构(混凝土、钢筋)，相应材料参数按《公路隧道设计规范第一册土建工程》、JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》取值，围岩等级为V级，岩土容重γ为18.5kN/m3,计算摩擦角φc为40°，初期支护(二次衬砌)弹性抗力系数k为150×103(180×103)kPa/m，岩体修正质量指标(BQ)为180。支护材料参数如表2所示，其余参数按规范取值。

表2 支护材料参数

1.2 二次衬砌计算荷载

二次衬砌为V级围岩支护结构，侧压力系数λ为0.36，隧道垂直压力q为188.81kN/m2，隧道侧压力e为 67.22kN/m2。参照《公路隧道设计规范第一册土建工程》，Z5型二次衬砌承担总荷载的65%，初期支护承担总荷载的35%。

1.3 计算结果

荷载作用下Ⅴ级围岩钢筋混凝土结构计算结果如图1所示。由图1可知，Z5型钢筋混凝土二次衬砌安全系数为4.6～17.3，拱顶、拱脚处安全系数相对较小，拱腰、拱肩、仰拱处安全系数相对较大。

图1 钢筋混凝土结构安全系数

2 衬砌背后空洞对结构安全性的影响

隧道衬砌背后接触状态可分为接触密实、接触松散和空洞3种情况[12]，衬砌背后接触松散和空洞通常会导致衬砌背后约束减少或局部丧失。宋瑞刚等[4]对衬砌背后空洞及接触问题进行了研究；王述红等[13]对不同位置空洞条件下隧道破坏模式进行试验研究，得出不同位置空洞时隧道的破坏模式、破坏顺序等规律。本文采用荷载结构法对衬砌背后空洞、接触松散进行模拟计算。

2.1 背后空洞计算分析

通过对隧道Ⅴ级围岩支护结构进行模拟计算，可知隧道拱顶、拱脚处弯矩最大，结构安全系数最小，故本文仅对隧道不利位置拱顶、拱脚进行空洞模拟计算分析。空洞计算模型如图2所示，计算结果如图3所示。

图2 支护结构空洞计算模型

图3 支护结构空洞安全系数

二次衬砌在厚度、配筋相同情况下，拱顶处弯矩大，拱脚处圆弧半径小，应力集中、弯矩大，安全系数最小。可采取增加拱顶、拱脚厚度或加强钢筋等措施进行结构优化，以防止长期地压作用下拱顶、拱脚被拉裂。

由图3可知，Ⅴ级围岩钢筋混凝土衬砌最小安全系数为4.60，拱顶有空洞时为4.21，拱脚有空洞时为3.39，说明拱脚有空洞时结构更不安全；受空洞影响下结构安全系数高低排序为：无缺陷>拱腰空洞>仰拱空洞>拱顶空洞>拱脚空洞；空洞安全性受地质条件、空洞大小、地下应力分布、拱顶冲击荷载等影响较大，通过计算，拱顶和拱脚处弯矩最大，安全系数最小，背后空洞会导致结构弯矩增大，安全系数进一步降低。

2.2 背后接触松散计算分析

根据规范，V级围岩弹性抗力系数取100～200MPa/m，围岩级别越高，弹性抗力系数越小。衬砌背后接触松散可通过减小弹性抗力系数进行模拟，选取50～200MPa/m弹力抗性系数进行计算分析，结果如表3所示。

表3 弹性抗力系数对结构安全性的影响

由表3可知，弹性抗力系数减小时，对结构轴力影响不大，但由于结构受到的围岩约束减弱，导致弯矩增大，结构安全系数降低；衬砌拱脚部位安全系数较拱顶处略大，当围岩弹性抗力系数由200MPa/m降低至50MPa/m时，拱顶安全系数从5.0降低至1.9，拱脚安全系数由5.3降低至2.5，均降低50%～60%，说明衬砌背后接触松散对结构安全性影响极大；围岩越差，背后空洞或接触松散越易形成，对于地质极差或背后因喷射混凝土不密实形成松散圈，需进行注浆加固等处理，确保结构和岩层紧贴密实。

3 衬砌厚度对结构安全性的影响

计算分析衬砌厚度对结构安全性的影响，结果如表4所示。

表4 Z5衬砌厚度对结构安全性的影响

由表4可知，钢筋混凝土衬砌结构厚度从0.45m降低至0.25m时，拱顶安全系数从4.6降低至4.0，降幅约13%，拱脚安全系数从5.1降低至2.8，降幅约45%，说明衬砌厚度对结构安全系数影响较大，且对拱脚处的影响更显著。素混凝土衬砌结构厚度从0.45m降低至0.25m，拱顶安全系数从1.4降低至1.1，降幅约21%；拱脚安全系数由1.4降低至0.8，降幅约43%，降低幅度与钢筋混凝土工况相当。钢筋对增强结构安全性作用明显，相同情况下，二次衬砌有配筋的安全系数约为没有配筋的3.5倍。

4 衬砌混凝土强度对结构安全性的影响

计算分析混凝土强度对结构安全性的影响，结果如表5所示。由表5可知，钢筋混凝土工况下，混凝土强度等级由C40降低至C15时，拱顶安全系数从5.1降低至4.3，说明该工况下，拱顶处安全性受混凝土强度影响不明显；拱脚安全系数由6.0降低至3.5，降幅约42%，说明拱脚部位受混凝土强度影响更显著。素混凝土工况下，混凝土强度等级由C40降低至C15时，拱顶、拱脚处安全系数变化规律基本一致，均从1.7降低至1.1，降幅约35%。说明没有配筋时，拱顶部位安全性很大程度上靠提升混凝土强度来保证，也进一步说明配筋可有效保障结构安全。素混凝土结构中混凝土强度降低对结构安全影响更大。

表5 Z5结构混凝土强度对结构安全性的影响

5 衬砌钢筋层间距对结构安全性的影响

现场施工中普遍存在对钢筋层间距不够重视的问题，保护层厚度不足，对结构耐久性影响较大；保护层过厚，会增大结构开裂性，且直接导致钢筋层间距减小，降低结构安全性。计算分析保护层厚度对结构安全性的影响，结果如表6所示。

表6 保护层厚度对结构安全性的影响

Ⅴ级围岩结构二次衬砌厚度为45cm，保护层厚度为5cm，钢筋层间距约35cm，在正常工况计算下，拱顶安全系数为4.6。由表6可知，当保护层厚度逐渐增加至20cm，钢筋层间距减小至25cm时，拱顶安全系数从4.6降低至3.4，降幅约26%；拱脚安全系数从5.1降低至3.9，降幅约24%。拱顶、拱脚安全系数变化规律基本一致。衬砌钢筋层间厚度对结构安全性影响较大，现场钢筋层间距是施工中难以控制和易忽略的检查点，因此应引起高度重视，确保钢筋层间距满足设计要求。