隧道襯砌背后空洞對其支護結構力學性能的影響性研究

趙文斌

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家高速公路網的不斷完善及西部大開發戰略的不斷實施，我國高速公路逐步向崇山峻嶺地區邁進，公路隧道所面臨的水文地質、圍巖類型、地形地貌等情況越來越復雜，從而導致隧道襯砌背后空洞、軟弱圍巖、大變形等病害越來越多。其中，運營隧道襯砌背后空洞是其主要病害，并逐漸成為隧道病害防治的一大熱點問題[1]。由于隧道襯砌背后空洞病害極大地減弱了隧道支護結構與圍巖之間的相互作用，使得隧道支護結構失去抗力支持且受到不均勻荷載，進而引發隧道襯砌開裂、變形、掉塊、滲漏水等病害。因此研究隧道襯砌背后空洞對支護結構力學特性的影響，進而為隧道病害防治提供技術支撐。

目前，國內外學者對隧道襯砌背后空洞已開展了大量的研究。彭躍[2]等利用數值模擬對隧道不同部位襯砌背后存在不同范圍空洞的安全系數進行了研究；曹學強[3]等采用有限元數值模擬方法對隧道結構及空洞進行了研究，并計算了具有不同沖擊力的隧道空洞落石作用下結構的安全系數。佘建[4]等研究了襯砌結構在不同空洞位置、不同應力場作用下的病害形式、規律以及結構承載力的特點；陳俊濤[5]研究了隧道拱頂存在空洞時隧道圍巖、初期支護結構的力學特性。本文結合依托工程，針對隧道襯砌背后不同部位存在空洞的工況進行室內模型試驗，在此基礎上進行有限元數值模擬，從而利用模型試驗與數值模擬試驗結果相互驗證，共同得出隧道襯砌背后空洞對支護結構力學特性的影響，以期為今后類似工程提供理論指導。

1 工程概況

某公路隧道為越嶺分離式隧道，全長1 065 m，限界總寬10.5 m，凈高5.0 m，隧道左右線中心距50 m。該隧址區內地形起伏較大，山勢陡峻，相對高差約200 m，最大埋深140 m。隧道進口段發育一條正斷層，層面產狀為 330°∠65°，斷距 10～12 m，斷層帶內巖體破碎。隧址區內出露二迭系上統砂巖、砂質泥巖，部分地段覆蓋第四系更新統坡積層碎石土，洞身圍巖節理裂隙發育。隧址區內地下水類型主要為基巖裂隙水，受大氣降水控制。

該隧道在施工過程中，當左洞開挖至SZK90+989時，掌子面發生大型塌方，塌方量達1 000 m3。根據塌方段現場揭示的情況顯示，其圍巖風化程度嚴重，呈破碎狀，在地下水侵蝕下形成塌方。隨后，施工單位先后采用人工假頂、塌腔內泵送粉煤灰等措施通過塌方段；但該隧道段在運營期逐漸出現襯砌開裂、滲漏水等病害，利用地質雷達對該隧道段襯砌檢測后發現，其拱頂和左右拱腰背后有大量空洞。為進一步調查該隧道段襯砌背后空洞情況，在該隧道段選取4個斷面共計36個檢測點，采用鉆芯法進行檢測，結果顯示其空洞數為15個，達到總數的43%，最大空洞深度達0.5 m，且原塌腔內回填的粉煤灰并不密實，形成了襯砌背后空洞段。

2 室內模型試驗研究

2.1 試驗設備

本試驗采用平面應變三向加載力學模型試驗系統，該系統主要由支撐系統、加載系統、測試系統三大部分構成，其整體結構如圖1所示。該模型試驗整體尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，其隧道結構模型最大直徑可達16 cm。加載系統采用液壓千斤頂及液壓伺服系統，加載最大值可達10 MPa，其加載過程為分級施加，每級荷載增加值為0.3 MPa。

圖1 模型試驗裝置結構示意圖

2.2 測試方案及監測元件布設

結合依托工程實際情況，本文針對隧道襯砌背后空洞病害，采用模型試驗模擬分析兩種工況，即拱頂上方（工況一）、右側拱腰襯砌背后存在空洞（工況二）。為測取隧道襯砌背后存在空洞情況下的隧道支護結構力學特性，本試驗采用電阻應變片粘貼在隧道襯砌內側，并在模型中埋設電阻應變式土壓力計以測取其圍巖壓力，土壓力計量程為0～5 MPa。電阻應變片及土壓力計數據均采用36通道的靜態應變數據系統采集，具體情況如圖2、圖3所示。

圖2 電阻應變片

圖3 土壓力計

為準確分析隧道襯砌背后空洞對其支護結構力學特性的影響情況，本試驗在隧道襯砌表面的拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳及仰拱部位分別粘貼電阻應變片；并沿隧道圍巖壓力分布的5條特征方向線上均勻埋設電阻應變式土壓力計，其監測元件具體布設位置如圖4所示。

圖4 測試元件布設位置

2.3 試驗結果的分析

在本試驗中，分別測取不同工況下隧道襯砌結構在極限承載狀態、加載穩定狀態及最終破壞狀態時的切向應力值（其值分別用()、[]、{}表示），其具體結果如圖5、圖6所示。

圖5 工況一隧道襯砌切向應力值（單位：MPa）

圖6 工況二隧道襯砌切向應力值（單位：MPa）

對于拱頂部位襯砌背后存在空洞的工況，當水平荷載增加至0.6 MPa時，拱頂部位和左側邊墻部位的襯砌逐漸出現裂縫，隨著荷載的不斷增加，裂縫沿隧道軸向逐漸發展，襯砌結構達到極限承載狀態。此原因在于水平荷載的不斷增加使得拱頂產生向上的變形，而拱頂襯砌背后的空洞導致其無法產生抗力，導致該處最早產生裂縫；同時水平方向受力極不均勻，導致左側邊墻也出現了裂縫。從圖5中可以看出，在最終破壞狀態時，左側邊墻應力達到了7.60 MPa，明顯大于右側邊墻應力值；此時拱頂襯砌應力值為2.10 MPa，明顯大于拱肩、拱腳部位的襯砌應力值。

對于右側拱腰襯砌背后存在空洞的工況，當水平荷載增加至0.5 MPa時，右側拱腰部位襯砌向內產生較大的變形量，該處最早產生裂縫；同時，仰拱部位由于截面曲率較小，應力較為集中，其拱腳部位向內變形量也較大。隨著荷載的不斷增加，右側邊墻部位襯砌背后空洞使得其抗力不足，空洞邊緣處的裂縫沿隧道軸向不斷發展。從圖6中可以看出，在極限承載狀態下，右側拱腳處的襯砌應力為2.68 MPa，遠大于左側拱腳處的襯砌應力，且隨著荷載的不斷增加，達到最終破壞狀態時，右側拱腳處的襯砌應力為2.06 MPa，仍大于左側拱腳處的襯砌應力。

3 有限元數值模擬研究

3.1 參數選取及模型建立

由于本模型試驗采用二維平面模型，不考慮圍巖、初期支護、二次襯砌的自重，因此初期支護可采用平面梁單元BEAM3來模擬，其模量取鋼拱架與混凝土的平均值，并利用平面梁單元來分析加載狀態下初期支護的應力應變情況；而圍巖和二次襯砌采用實體單元PLANE42來模擬[6]。各類材料的物理力學參數如表1所示。

表1 各類材料的物理力學參數值選取

在本模型的建立過程中，為最大限度地消除二維有限元數值模型邊界條件對模擬結果的影響誤差，該模型的邊界條件按以下條件進行選取：水平方向左右各取3倍的隧道洞徑，垂直方向上下各取3倍的隧道凈高，其具體模型網格劃分情況如圖7所示。

3.2 數值模擬結果分析

為深入分析不同工況下的隧道支護結構力學特性，本模型試驗提取出了不同工況下隧道襯砌結構彎矩值，具體情況如圖8、圖9所示。

圖7 模型網格劃分圖（單位：m）

圖8 工況一狀態下襯砌彎矩圖

圖9 工況二狀態下襯砌彎矩圖

由圖8可以看出，當隧道拱頂部位襯砌背后存在空洞時，拱頂及兩側拱腳處均承受較大的負彎矩。隨著荷載的不斷增加，拱頂處承受的負彎矩絕對值不斷增大，而拱肩及仰拱部位的彎矩絕對值不斷減小。此原因在于拱頂部位襯砌背后空洞減弱了其支護結構與圍巖之間的相互作用力，在荷載作用下該處產生應力集中現象。

由圖9可以看出，當隧道右側邊墻部位襯砌背后存在空洞時，右側邊墻產生較大的彎矩值，隨著荷載的進一步增大，彎矩值及其分布范圍不斷增大，而左側拱腳處的負彎矩絕對值也不斷增大。此原因在于，右側邊墻襯砌背后空洞導致該處發生了應力集中現象，同時在水平荷載作用下，支護結構受力不均勻，在左側拱腳處也產生了應力集中現象。

由此可見，數值模擬結果與室內模型試驗結果基本吻合，隧道襯砌背后空洞將減弱其支護結構與圍巖的相互作用，嚴重影響支護結構力學特性；隧道支護結構極易在空洞處產生應力集中現象。因此，應及時對襯砌背后空洞進行注漿回填，防止隧道襯砌病害的進一步發展。

4 結論

本文依托某高速公路隧道，針對隧道襯砌背后不同部位存在空洞的工況進行室內模型試驗，在此基礎上進行有限元數值模擬，從而利用模型試驗與數值模擬試驗結果相互驗證，得出以下幾點結論：

a）室內模型試驗結果顯示，當拱頂部位襯砌背后存在空洞時，左側邊墻應力明顯大于右側邊墻應力，拱頂襯砌應力明顯大于拱肩、拱腳部位的襯砌應力值；當右側拱腰襯砌背后存在空洞時，在極限承載狀態下，右側拱腳處的襯砌應力遠大于左側拱腳處的襯砌應力。

b）數值模擬結果顯示，當隧道拱頂部位襯砌背后存在空洞時，拱頂及兩側拱腳處均承受較大的負彎矩，而拱肩及仰拱部位的彎矩絕對值不斷減小。當隧道右側邊墻部位襯砌背后存在空洞時，右側邊墻產生較大的彎矩值。

c）數值模擬結果與室內模型試驗結果基本吻合，隧道襯砌背后空洞將減弱其支護結構與圍巖的相互作用，嚴重影響其力學特性。