隧道襯砌背后空洞健康判據試驗研究

李 明，陳洪凱，熊峰偉

(1.重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074;2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都，610031;3.湖州市交通規劃設計院，浙江湖州 313000)

隧道襯砌背后空洞健康判據試驗研究

李 明1，2，陳洪凱2，熊峰偉3

(1.重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074;2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都，610031;3.湖州市交通規劃設計院，浙江湖州 313000)

從研究襯砌背后空洞單項指標判據出發，結合實例采用室內大比例尺模型試驗，分析了襯砌背后存在不同尺寸空洞時結構的承載力大小變化、病害產生形式和變化規律等。得到了隧道襯砌背后空洞的單項指標健康判據:隧道健康狀態時背后無空洞，處于亞健康時背后空洞小于100 mm，病害階段時背后空洞介于100～550 mm之間，病危階段時背后空洞大于550 mm。

隧道襯砌;空洞;試驗;健康;判據

隧道襯砌背后的空洞會造成襯砌受力不均衡，形成偏壓效應，引發或加劇其他類型的襯砌病害，嚴重影響隧道結構的健康狀況。目前對襯砌背后空洞的認識僅限于定性分析，缺乏對病害形成過程及機理進行深入分析和量化研究。由于目前的判別標準不統一，造成了判別結果的多樣性，給隧道襯砌健康等級的劃分帶來了困難。因此，亟須解決隧道襯砌背后空洞的健康判據問題。

從文獻［1-8］來看，現階段的研究主要是利用數值仿真手段研究隧道與地下工程結構的施工開挖過程以及圍巖與支護結構的相互作用，直接研究隧道健康判據的文獻較少，而對支護結構裂縫和背后空洞的模擬有部分研究。但是結論沒有經過試驗和實踐驗證，要想引入工程實踐尚需時日。

因此，筆者在前人研究的基礎上，結合工程實例，采用相似模型實驗方式探索隧道工程支護襯砌背后不同尺寸的空洞與隧道健康等級之間的關系，建立健康狀態診斷判據。

1 相似模型試驗材料參數選取與設計

通過國內外眾多專家學者積累的豐富經驗［9-10］，根據試驗的目的與要求，支護結構襯砌采用石膏模擬，從安全的角度考慮，忽略了其中的鋼構件模擬;考慮到試驗中受到各方面因素的影響，本次試驗得圍巖參數主要采用Ⅵ級圍巖的技術指標。隧道試驗模型的原型為重慶市“八一”隧道，模型比例尺為1∶25。試件加壓系統采用液壓自動伺服系統控制實現。為防止橫向的變形，在豎直方向采用25 mm厚鋼板支撐。

2 試驗結果分析

2.1 完整支護襯砌結構承載力的影響分析

在豎直應力作用下，完整隧道圍巖-支護結構設計關鍵點在荷載作用下的力，如圖1。由圖1可以看出，在隧道支護結構拱肩附近受到較大的接觸壓力作用，致使隧道結構首先從這些部位出現壓潰裂紋病害，因受到隧道拱腳部位形狀的限制，土體首先從拱腳部位開裂，然后兩側裂縫逐漸貫通而使結構失穩破壞，具體的破壞形態詳見圖2。

由圖1還可以看出，支護應力最大的位置一直處于拱頂位置，而較小的土壓力則處于拱頂兩側，這種受力模式作用下，致使隧道較大的彎矩出現在拱肩至拱腰部位，拱肩部位由于受力過大而早于其他部位被壓潰。隧道在這種變化過程與隧道位移變化規律相似。

2.2 支護襯砌背后空洞對結構承載力的影響分析

當支護襯砌背后空洞深度為4 mm時的特征點接觸應力、特征點位移和內力斷面如圖3。

由圖3(a)可以看出，在豎直應力作用下，拱頂和接近拱頂附近的拱肩部位的位移變化逐漸加大，尤其是拱頂部位的變形接近于仰拱底部的變形時，隧道結構開始出現病害。試驗中，當豎向加載至37.954 kPa時，隧道周邊出現環向裂紋，從右側邊墻開始開裂，隨后從右側邊墻1/3高度擴展至地面，產生土體刺入式破壞，隨后結構出現整體失穩，承載力下降，說明結構已經完全失去承載能力，結構破壞。由于拱頂部位30°范圍內與圍巖體模擬材料沒有接觸，變形較小，與之相鄰的左右側拱肩部位受到較大的應力作用，與之相對應的就是在拱肩部位將受到較大的壓力，使結構出現壓潰，主要的病害出現部位是拱肩和邊墻，拱頂的破壞則主要是由于拱肩的破壞引起的裂縫貫通而產生的壓潰屈服，主要特征有時會出現沿縱向的壓潰現象。

由圖3(b)可以看出，由于拱頂的空洞作用，拱頂支護襯砌與模擬圍巖體沒有接觸，所以沒有出現接觸壓力，在病害出現之前出現拱頂壓力為0的現象。這樣，隨著豎向壓力的增加，勢必造成拱肩部位的壓力增加，并且保持最大。當接觸壓力達到一定的數值以后，隧道拱肩部位的支護結構內側出現受拉而破壞，這與前述的變形與破壞現象相一致。隨著接觸應力的增加，拱肩部位的裂紋首先向邊墻拱腳延伸貫通，最后致使拱頂支護結構壓潰而整體失穩。

從受力來看，隨著豎向荷載的加大，拱肩和邊墻部位的接觸應力增加，支護結構內部的壓應力在拱肩部位反映為最大。在結構尚未出現病害以前，整個支護結構內的彎矩均為負值，且量值較小，與支護結構內的壓應力對應的拱肩附近的彎矩相對也較小。彎矩與軸力的疊加，致使拱肩部位受到較大的拉應力作用，整個結構的主控截面出現在拱肩部位，并逐漸向拱腰和邊墻部位移動。當拉應力值超過截面的抗拉強度時，則在拱肩附近部位出現拉裂紋。拱肩開裂以后，應力向周邊傳遞，首先受到沖擊的就是拱頂部位。由于拱頂支護與圍巖之間沒有產生抗力作用，不能抵抗增加的應力，會在支護結構的內側出現擠壓應力，而支護結構的內側則受到拉應力的作用，同時拱腰和邊墻部位的受力以受拉為主。因此裂紋向下擴展的隨度要比向上的速度快，因此破壞時拱肩以下的部位裂紋貫通，而在拱頂部位出現壓潰現象。

當襯砌背后空洞深度分別增加為20 mm和30 mm時的支護結構關鍵點隨豎向加載的位移曲線、襯砌的接觸應力變化曲線和支護結構橫斷面應力分布曲線分別如圖4和圖5。

從圖4和圖5可以看出，當結構背后空洞增大后，結構的承載能力直線下降，結構的變形規律和接觸應力的變化趨勢具有共同的特點。在豎向應力的作用下，由于拱頂部位支護結構和圍巖體之間的空隙較大，沒有產生相應的抗力作用，拱頂部位的位移要相對于支護結構臨近拱肩部位的區域的結構受到較大的應力作用，結構變形在此處最大，邊墻部位的變形要比其它部位的變形要小的多，因此結構的變形在隧道橫斷面結構上呈現一典型的拱頂向上突出、拱肩向內陷入和邊墻基本變形較小的“凸”型結構，在仰拱結構部位的變形呈現向內侵入隧道建筑空間的“凹”型結構。結構的受力以隧道拱肩附近最大，拱腰向邊墻部位的方向逐漸減小的趨勢，從結構接觸應力的的變形橫斷面曲線可以看出，呈現為典型的貓耳朵形狀。

從結構的病害產生到破壞的過程來看，有空洞時的產生的病害形式、位置和順序也基本相同。病害首先出現在受力最大的拱肩部位，沿著隧道左右兩側拱肩部位首先出現縱向裂紋，一旦出現裂紋，拱肩部位的應力得到釋放，逐漸轉向隧道的拱頂、拱腰與邊墻部位。隧道拱頂部位的病害出現內部受拉破壞，而外側由于受到較大的擠壓作用而壓潰，拱肩以下部位的裂紋則由于受到較大的接觸應力作用而在隧道支護結構外側出現外面寬而內部逐漸向內部擴展的“V”字型裂紋，隨著裂紋的逐漸擴展貫通，支護結構的承載能力逐漸損失殆盡，因此進一步增加豎向應力，結構的裂紋貫通以后出現錯臺現象。

2.3 支護襯砌背后空洞結構健康狀態判據分析

現把拱頂襯砌背后不同深度空洞試驗特征點接觸應力與破壞荷載匯總于表1，襯砌背后不同深度空洞承載力褪化關系如圖6，襯砌背后不同深度空洞各特征點最大接觸應力和位移曲線分別如圖7、圖8，表2是各特征點位移的匯總。

表1 拱頂襯砌背后空洞試驗特征點接觸應力與破壞荷載匯總Tab.1 Summary of contact stress and failure load of characteristic points various cavity test

圖8 不同空洞深度時特征點最大位移曲線Fig.8 Maximum displacement curve of characteristic points under various cavity depth

表2 拱頂襯砌減薄試驗特征點最大位移與破壞荷載匯總Tab.2 Summary of maximum displacement and failure load of characteristic points various thickness test

從表1和圖6、圖7可以看出，隨著拱頂襯砌背后空洞深度的增加，結構的承載能力逐漸下降，各特征點的接觸應力亦具有相類似的變化規律，但是在各個實驗階段的承載力下降速率是有較大差異的。以完整狀態的襯砌受力狀態和承載能力作為標準，由圖6可以看出，結構的變形曲線呈現為明顯的反“S”型形狀，下降曲線可以分為明顯的3段:

1)緩慢褪化階段，在此階段，從隧道背后無空洞至空洞深度為4 mm，由于背后空洞的存在，支護結構的承載能力逐漸下降，但是褪化速度較慢，速率為0.711 kPa/mm，結構的承載能力減少到完整狀態的93%。

2)快速褪化階段，在此階段從隧道拱頂背后空洞深度為4～22 mm之間，隨著隧道支護襯砌拱頂背后空洞的深度逐漸加深，隧道的承載能力迅速下降，拱肩等部位的接觸應力也是迅速下降。結構承載能力的褪化速率為1.26 kPa/mm，時緩慢褪化階段褪化速率的1.77倍。在隧道支護襯砌背后空洞深度達到20 mm時，結構的承載能力降低為完整狀態下的38.25%，可以認為隧道支護結構的支撐能力已經損失殆盡。

3)褪化完成階段，在此階段從隧道拱頂背后空洞深度為大于22 mm，隨著支護襯砌背后的空洞的進一步加大和深入，支護結構和圍巖之間的接觸應力、位移和承載能力與隧道拱頂背后空洞深度為22 mm時的對應測試參數相比較沒有很大的變化，可以認為在此階段，隧道的承載能力已經褪化完成。此時的承載力褪化速率為0.144 kPa/mm，結構的承載能力降低為完整狀態下的34.81%，與結構襯砌背后空洞深度為22 mm時的承載能力基本持平，在變化趨勢線上可以看出其為一近似水平的直線段，只在圖7和圖8中也可以明顯的看出來。

在隧道支護結構承載能力快速下降階段，可以認為隧道的健康狀態處于病害階段，在此階段及時采取支護補強手段，可以繼續延續隧道支護結構的承載能力，保證隨到結構的繼續營運;在褪化完成階段，隧道的健康狀態已經是病危階段，支護結構的承載能力隨著支護結構背后空洞的深度增加而變化很少，隧道支護結構隨時有可能出現失穩，造成極大的隱患，隧道結構處于病危階段;在緩慢褪化階段，隧道支護結構的承載能力隨隧道支護結構背后空洞深度的逐漸加深而緩慢下降，但是并不影響隧道整體的穩定性，因此，在此階段，隧道的健康狀態可以劃分為亞健康狀態，在此階段如果采取有效措施將隧道背后的空洞填塞壓滿，使圍巖和支護結構充分密貼，完全可以達到隧道整體狀態時的承載能力。當隧道支護結構背后沒有空洞時，隧道的承載能力達到最大，可以從空洞深度的角度單方面確定隧道的結構狀態為健康狀態。

從以上的分析過程來看，結合相似模擬試驗理論的實驗比例，可以確定通過試驗的隧道支護結構背后空洞深度的隧道健康狀態判據如表3。

表3 隧道支護結構背后空洞深度的隧道健康狀態試驗判定標準Tab.3 Test criterion of tunnel health under the cavity behind the supporting structure

另外在隧道支護結構特征點最大接觸應力圖7中可以看出，當支護結構厚度為4～22 mm變化時，隧道拱頂部位的接觸應力由正變副，拱頂結構的受力與其他對應部位的受力符號相反，在隧道支護整體橫斷面上呈現明顯的交替應力現象，致使隧道的健康狀態直線下降，與之相對應的隧道的位移除了出現向隧道凈空方向發生移動以外，尚發生向隧道圍巖內部刺入的變形，隧道拱頂部位的變形一直處于最大值狀態，隨后隨著支護結構拱頂背后空洞的進一步加深，位移變化并不十分明顯，在此前階段的拱頂位移一直處于拱肩和邊墻部位位移變化值之間。另外從圖7可看出，在對應的結構健康狀態階段，隧道關鍵點變形的規律與承載力的變化趨勢相似，而結構的變形趨勢則與結構的承載能力曲線有點相似。

3 結論

通過上述試驗得出的主要結論如下:

1)同樣厚度的襯砌支護結構背后存在空洞時，支護結構的承載能力下降的趨勢十分明顯，在同等位移的條件下，有空洞的結構直接降到沒有空洞時的支護結構承載力的1/3左右，隨著位移的增大，承載力下降的速度越快;

2)隧道支護結構背后的空洞隨著尺寸的增加，結構的承載力褪化呈階段性下降，總體上可以分為3個階段:緩慢褪化階段、加速褪化階段和退化完成階段，每個階段分別對應隧道結構狀態的亞健康、病害和病危階段，在圖形上呈明顯“S”形形狀;

3)以隧道背后無空洞作為隧道健康的單項指標，則隧道背后空洞深度小于100 mm時，隧道支護結構處于亞健康狀態，當背后空洞深度超過550 mm時，則隧道的承載能力基本喪失，處于病危階段，如果空洞深度介于上述標準之間，隧道的健康狀態則屬于病害階段。

［1］ 馮曉燕.隧道病害分級和襯砌裂損整治技術研究［D］.北京:北京交通大學，2002.

［2］李治國，張玉軍.襯砌開裂隧道的穩定性分析及治理技術［J］.現代隧道技術，2004，41(1):26-31.

LI Zhi-guo，ZHANG Yu-jun.Stability analysis for tunnels with cracked linings and the techniques for repairing the cracked linings［J］.Modern Tunneling Techenology，2004，41(1):26-31.

［3］司徒麗新，鄒友泉.襯砌背后空洞對于公路隧道的危害性研究［J］.山西建筑，2007，33(31):301-302.

SITU Li-xin，ZOU You-quan.Research into the hazard of empty areas behind lining on highway tunnel［J］.Shanxi Architecture，2007，33(31):301-302.

［4］宋瑞剛，張頂立.“接觸問題”引起的隧道病害分析［J］.中國地質災害與防治學報，2004，15(4):69-72.

SONG Rui-gang，ZHANG Ding-li.Analysis on cause of fracturing failure of tunnel lining［J］.The Chinese Journal of Geological hazard and Control，2004，15(4):69-72.

［5］何川，余健.高速公路隧道維修與加固［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［6］佘健，何川，汪波，等.襯砌背后空洞對隧道結構承載力影響的模型試驗研究［J］.公路交通科技，2008，25(1):104-110.

SHE Jian，HE Chuan，WANG Bo，et al.Study on effect of cavities behind linings on bearing capacity of tunnel structure by model test［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008，25(1):104-110.

［7］劉永華.二次襯砌結構拱頂存在空洞或裂縫的數值模擬［J］.公路隧道，2006，55(3):11-13.

LIU Yong-hua.Numerical simulation of the second lining structure vaults exist holes or crack［J］.Highway Tunnel，2006，55(3):11-13.

［8］彭躍，王桂林，張永興，等.襯砌背后空洞對在役隧道結構安全性影響研究［J］.地下空間與工程學報，2008，4(6):1101-1104.

PENG Yue，WANG Gui-lin，ZHANG Yong-xing，et al.Research about effect of cavity behind lining on structural safety of tunnel in cative service［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，4(6):1101-1104.

［9］Filshtinsky M L，Bardzokas.D L.The shear wave diffraction on tunnel cavities in an elastic layer and a half-layer［J］.Archive of Applied Mechanics，2001，71(4):341-352.

［10］ Kazuo Konagai.An example of landslide-indicted damage to tunnel in the 2004 Mid-Niigata Prefecture earthquake［J］.Landslides，2005(2):159-163.

Test Research on Health Criterion of Cavities behind the Lining

LI Ming1，2，CHEN Hong-kai2，XIONG Feng-wei3

(1.Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Civi1 Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;
3.Huzhou Traffic Planning and Designing Institute，Huzhou 313000，Zhejiang ，China)

For studying the single index criterion of lining cavities，and introducing lab large-scale model test combining the engineering example，analyzing the variety of structure bearing capacity，disease producing shapes and varying rule and so on where are different dimension cavities after lining.finding out the single health criterion of cavity:it is health where no cavities after the lining，it’s sub-health when the dimension is less than 100mm，disease when the dimension is between 100mm and 550mm，it’s sick to death if the dimension were more than 550mm.

lining;cavity;test;health;criterion

U456.3+1

A

1674-0696(2011)03-0398-05

2010-11-16;

2011-04-26

重慶市建設科研項目(200857)

李 明(1978-)，男，河南南陽人，博士研究生，主要從事公路隧道與巖土工程研究。E-mail:lijianming7805@126.com。