衬砌空洞对隧道结构安全性的影响规律研究

王应球

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

在山地路线修建的铁路基础设施难免需要隧道结构来使其连接起来,而隧道结构的设计和施工是一项十分复杂的工作,在施工过程中往往会由于各种不可控的因素,产生大量隧道结构的缺陷和病害,其中衬砌背后的空洞就是最常见的隧道病害[1-2]。

衬砌空洞病害会给隧道结构带来衬砌破裂、混凝土破坏等一系列的问题,降低隧道结构的安全性,严重影响隧道内行车的安全。而隧道作为一种地下结构,当其发生或者存在病害时,一般是比较难以进行及时的检测或监测的[3-4]。因此有必要研究衬砌空洞对隧道结构各个方面的影响规律,揭示衬砌空洞的致灾机理,及时提出有效的修复手段,保证隧道结构整体的安全性[5]。

针对隧道内衬砌空洞病害,国内外学者对此已经进行了一系列的研究。孙寿榜等[6]为了研究隧道及衬砌空洞参数对衬砌结构内力的影响规律,结合探地雷达的无损检测手段,建立了带衬砌空洞病害的隧道结构数值模型,研究了埋深、空洞深度及距二次衬砌的距离、二次衬砌厚度这四个参数对结构受力的影响,并进行灰关联分析,结果表明空洞深度对衬砌部件受力的影响最大。邓皇根[7]针对不同形式的组合衬砌空洞,结合Midas GTS NX软件对含衬砌空洞病害的隧道结构进行数值模拟,建立三种不同组合的空洞隧道模型,研究了组合病害对隧道结构受力和安全系数的影响规律,研究表明,组合空洞会使衬砌结构的受力发生很大的变化,并且减低隧道结构的安全系数,最为危险的组合空洞形式是右拱脚(30°)+ 右拱腰(30°)。张素磊等[8]针对公路交通隧道内衬砌结构的空洞病害,通过整理和汇总大量现有公路隧道的无损检测资料,对公路交通隧道内衬砌空洞病害的特征参数进行了总结,包括纵向长度、围岩等级、径向高度等,并在此基础上,研究了空洞各个特征参数的变化对衬砌结构受力的力学特性的影响规律,研究的成果为衬砌空洞病害的治理提供了理论依据。

本文基于FLAC 3D有限差分软件,建立六种不同工况下的隧道衬砌空洞数值模型,为无空洞和衬砌空洞位置分别为拱顶、拱肩、边墙、拱脚和底板。通过对比不同位置衬砌空洞下隧道模型的变形位移、应力分布特征、最大主应力和最小主应力数值特点,研究了衬砌空洞对隧道结构安全性影响规律。

1 隧道衬砌空洞计算模型

采用有限差分软件FLAC 3D建立含衬砌空洞病害的隧道结构数值模型,研究衬砌空洞对隧道衬砌结构受力的影响规律。所选取的隧道断面如图1所示。该隧道断面的形式为三心圆形,横向的隧道宽度为13.6 m。

图1 三心圆形隧道断面图(m)

建模时,采用空模型来模拟隧道的开挖施工过程和衬砌背后的空洞,隧道结构四周的土体和岩体采用摩尔-库仑模型模拟,施工后的支护结构采用各向同性弹性体来模拟。同时,采用全断面开挖工法来模拟隧道结构的施工过程,其简化后的建模流程如图2所示。

图2 建模流程图

在对含衬砌空洞病害的隧道结构建模时,选用Ⅳ级围岩,其围岩的相关参数按照铁路隧道规范选取,为了充分考虑结构大小局限性对计算分析结构的影响,选取的模型长、宽、高分别为40 m、100 m、100 m。模型中的初期支护和二次衬砌的相关参数选取如表1所示。

表1 计算模型材料参数选取表

隧道结构的衬砌空洞具有多样性,主要是由于其出现的位置存在不同。为了模拟不同位置出现的衬砌空洞病害,对比研究其对隧道衬砌结构受力的影响,一共建立了五种不同衬砌脱空的数值模型,衬砌空洞位置分别为拱顶、拱肩、边墙、拱脚和底板。同时为了进行对比,建立无衬砌空洞的隧道结构模型。所以一共有六种工况下的隧道数值模型,如图3所示。

(a)无空洞

在前述模型基础上,进行含衬砌空洞病害的隧道结构数值模型的建立,同时在进行网格划分时,要满足计算的要求。如图4所示为网格划分后的隧道结构模型图。在进行计算前要考虑初始应力场的存在,即要先对结构模型施加重力的作用,并选取施加重力后的模型状态作为计算的初始状态。

图4 网格划分后隧道结构模型图

2 变形位移结果分析

隧道结构的变形位移对结构的受力特性和安全有着直接的影响,为了保证隧道结构的安全性和行车的安全性,研究不同空洞对隧道衬砌结构的影响规律,提取模型计算结果中的变形位移结果是十分有必要的。表2所示为运营时五种空洞工况下隧道结构的变形位移数值汇总;图5所示为运营时五种空洞工况下隧道结构的最大变形位移数值曲线。

表2 变形位移数值汇总表(mm)

图5 五种空洞工况下隧道结构的最大变形位移数值曲线图

由表2以及图5可知:

(1)围岩发生最大水平位移和最大竖直位移的工况为当空洞位于拱顶时,其数值分别为4.741 7 mm和21.440 0 mm。通过这些最大值可以看出,相比于其他四种工况,当空洞位于拱顶时对隧道结构的变形位移影响最大。

(2)排除空洞位于边墙这一工况,其余四种工况中最大竖向变形位移均大于最大水平变形位移。

(3)五种工况下的衬砌空洞,最大水平、竖向变形位移值均出现在其四周围岩处。

3 应力结果分析

当隧道结构中衬砌背后出现空洞病害时,会改变隧道和周围围岩的受力特性,打破其原有的力学平衡。为了更好地掌握隧道结构和衬砌结构的力学特性,了解空洞对隧道结构和衬砌结构的受力影响,提取模型计算结果中的应力数值进行分析是十分有必要的。

六种工况下最大主应力、最小主应力以及其存在的位置数据汇总如表3、表4所示,同时表中也比对分析了五种空洞工况下数值和无空洞工况数值的变化。由表3～4可知,六种工况最大主应力的出现位置基本都位于拱顶和拱肩;六种工况最小主应力的出现位置基本都位于拱肩和边墙。六种工况最大和最小应力数值的变化曲线如图6所示。

表3 最大主应力汇总表(Pa)

表4 最小主应力汇总表(Pa)

(a)最大主应力

由图6可知,六种工况下,当拱顶发生空洞时,其最大主应力数值最大;当边墙发生空洞时,其最小主应力数值最大。

4 测点分析

选取隧道衬砌上不同部位设置一定数量的测点,提取每个测点的应力计算结果,再进行对比分析,可以更好地进行横向比较,突出空洞位置变化对隧道衬砌结构应力的影响。隧道横断面上各测点的布置图如图7所示,一共选取8个测点,每个测点的位置详细描述如图8所示。

图7 隧道横断面上各测点的布置图

图8 各测点的位置详细描述图

图9和图10分别为8个测点的最大主应力曲线图和最小主应力曲线图。由图9可知,所有测点中,拱顶发生空洞时拱顶处的测点应力数值最大,且通常在出现空洞的位置产生应力变化,而其他测点的数值则一致;由图10可知,底板发生空洞时其测点6和无空洞时测点7的数值比较小。

图9 8个测点的最大主应力曲线图

图10 8个测点的最小主应力曲线图

5 结语

本文基于FLAC 3D有限差分软件,建立不同工况下的隧道衬砌空洞数值模型,通过对比不同位置衬砌空洞下隧道模型的变形位移、应力分布特征、最大主应力和最小主应力数值特点,研究了衬砌空洞对隧道结构安全性影响规律,主要结论如下:

(1)围岩发生最大水平位移和最大竖直位移的工况为空洞位于拱顶时。相比于其他四种工况,空洞位于拱顶时对隧道结构的变形位移影响最大。

(2)除空洞位于边墙这一工况,其余四种空洞工况中最大竖向变形位移均大于最大水平变形位移。五种空洞工况下的衬砌空洞,最大水平、竖向变形位移值均出现在其四周围岩处。

(3)无空洞工况下,衬砌结构中拱顶、拱肩受到的是拉应力且拱顶处最大;在其余五种空洞工况下,对衬砌影响范围从大到小依次为拱肩、边墙、拱脚、底板、拱顶;空洞处应力集中从大到小依次为拱顶、边墙、拱脚、底板、拱肩;五种空洞工况对空洞位置附近的应力状态都有很大的改变。

(4)无空洞工况下,拱肩和边墙内侧这两处的压应力最大;会改变空洞附近衬砌应力状态的工况为拱肩、边墙、拱脚、底板;五种空洞工况对空洞位置附近的应力状态都有很大的改变。