高速公路隧道襯砌背后脫空及欠厚裂損機理研究

李 柱謝 鋒

（1.重慶水利電力職業技術學院 重慶 402160 2.重慶市武隆區交通委員會 重慶 408500）

高速公路隧道襯砌背后脫空及欠厚裂損機理研究

李 柱1謝 鋒2

（1.重慶水利電力職業技術學院 重慶 402160 2.重慶市武隆區交通委員會 重慶 408500）

二次襯砌背后脫空及欠厚是造成隧道裂損病害的主要原因之一，如果處治不及時，襯砌結構會進一步損壞乃至縮短公路隧道的維護周期和使用壽命。本文通過利用ANSYS對高速公路隧道進行了數值模擬，研究分析了隧道拱部、邊墻及兩個位置同時存在襯砌欠厚及空洞這三種情況下，襯砌的受力特性及變形特點，通過內力特征，分析了其裂損機理，為類似隧道的病害處治提供了科學依據。

公路隧道；力學特性；空洞；襯砌欠厚；裂損

1 引言

近年來我國不斷擴大交通基礎設施建設規模，高速公路建設迅猛發展，在西部山區為改善線型、降低縱坡，以保障行車的安全性、舒適性和快捷性，公路隧道的數量和路線總里程的比例越來越高，比如武隆至水江高速公路重慶段隧道占路線長度比例高達 52.6%。目前，我國已成為世界上隧道工程最多、發展最快的國家[1-5]。通過對重慶地區彭武高速、繞城高速南段、石忠高速、武水高速上的10座隧道作為樣本進行了統計研究（以上10座隧道單洞長度達61930.41m，共有各類裂縫16750條，裂縫類型分布見表1 裂縫類型分布表）。調查發現，當二次襯砌存在施工缺陷（常見為拱墻背后空洞、襯砌厚度不足）時，二次襯砌均出現了裂縫，各類型隧道缺陷引起襯砌各類型裂縫分布見表2所示。

為這些裂損病害分析及處治對策提供科學依據，同時為將來隧道修建提供有效經驗，本文采用有限元軟件ANSYS對隧道不同部位存在襯砌欠厚及空洞情況進行了受力特征分析，得出了其裂損機理，為隧道裂損處治范圍及方法提供了重要的參考依據。

表1 裂縫類型分布表

表2 各類缺陷引起襯砌裂縫分布表

2 計算模型的建立

本文利用大型通用有限元軟件ANSYS通過荷載結構法進行數值計算，本次主要針對Ⅳ級圍巖，在深埋條件下隧道拱部、邊墻分別和同時存在襯砌欠厚及空洞這三種情況進行分析。由于本次研究的隧道主要是兩車道隧道，故本文計算模型的主要材料參數如下：隧道只考慮二次襯砌，采用C30混凝土，厚度為45cm，洞跨為12米，具體物理力學指標見表3。根據有限元原理，其計算模型建立方法如下[6-9]：

（1）圍巖壓力按《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)計算；

（2）模型襯砌采用BEAM3單元模擬；

（3）圍巖彈性抗力采用COMBINE14單元模擬；

（4）圍巖豎向和水平向的分布荷載，其等效節點力分別近似的取節點兩相臨單元水平或垂直投影長度的一般襯砌計算寬度這一面積范圍內的分布荷載的總和；

（5）自重荷載通過ANSYS程序直接添加密度施加；

（6）當襯砌背后存在空洞時，在空洞處不施加荷載及地層抗力，模型見圖1所示。

表3 材料計算物理力學指標Table 2 the physical and mechanical indexes of materials

圖1 計算模型圖

3 結果分析

3.1 拱部襯砌欠厚及脫空缺陷分析

隧道拱部是空洞最易出現的位置，本次分別針對拱部300及1200范圍存在空洞及襯砌厚度不足條件下，計算出相應襯砌的位移及內力，見圖2～圖7。

圖2 拱部300存在缺陷時襯砌位移圖

圖3 拱部300存在缺陷時襯砌軸力圖

圖4 拱部300存在缺陷時襯砌彎矩圖

圖5 拱部1200存在缺陷時襯砌位移圖

圖6 拱部1200存在缺陷時襯砌軸力圖

圖7 拱部1200存在缺陷時襯砌彎矩圖

由上述計算結果可知，無論空洞大小，其變形及內力分布規律基本相同：（1）在圍巖壓力作用下，空洞部位因無被動抗力約束而向上抬起，兩拱腰為最不利受力位置，向內位移及負彎矩最大，在荷載作用下，拱腰處最先出現裂縫；（2）對于正彎矩，其大小分布情況為：拱頂最大，邊墻次之，但對于軸力，襯砌均受壓，邊墻處軸力大于拱部。當荷載不斷增加時，空洞襯砌外側應拉應力較大而開裂，在邊墻內側，因彎矩產生的壓應力與軸力疊加，該處會出現壓裂縫；（3）當拱部空洞擴大時，邊墻與拱部位移、最大彎矩將增大，并且位置將出現上移，因此，其開裂位置也將上移，荷載增加時，空洞范圍大者也較小者向出現裂縫。

3.2 邊墻襯砌欠厚及脫空缺陷分析

當襯砌邊墻出現空洞及欠厚時，根據上述計算模型可計算出襯砌位移及內力，見圖8～圖10。

圖8 左側邊墻存在缺陷時襯砌位移圖

圖9 左側邊墻存在缺陷時襯砌彎矩圖

圖10 左側邊墻存在缺陷時襯砌軸力圖

根據以上計算結果可知：（1）襯砌向內位移最大處為拱頂靠空洞側，向外位移最大處為空洞位置；（2）當回填層施做后，最大正彎矩為空洞位置，最大負彎矩為空洞上方邊緣；（3）在空洞處，當荷載增加時，因彎矩在內側產生的壓應力與軸力疊加，會出現較大的壓應力，因壓應力過大會壓裂縫；（4）在空洞上方，因軸力較小，在襯砌內側，會產生拉應力，其因軸力產生的抵消部分較小，因此該處會出現拉裂縫。

3.3 不同部位襯砌同時存在欠厚及脫空缺陷分析

圖11 左側邊墻及拱頂均存在缺陷時襯砌位移圖

圖12 左側邊墻及拱頂均存在缺陷時襯砌軸力圖

圖13 左側邊墻及拱頂均存在缺陷時襯砌彎矩圖

當襯砌拱部及邊墻均出現空洞時，由下圖11～13可知：（1）襯砌位移特征：向內位移最大處為拱腰靠空洞側，其次為對應的另側拱腰處，向外位移最大處為邊墻空洞位置；（2）內力特征：正彎矩大小分布為邊墻空洞處最大，其次為拱頂空洞處；回填層施做后，負彎矩最大值為拱腰靠空洞側，對應的另側拱腰處次之。對于軸力基本呈對稱狀，拱頂至邊墻逐漸增大；（3）在空洞處，當荷載增加時因彎矩在內側產生的壓應力與軸力疊加，會出現較大的壓應力，因壓應力過大會首先在空洞處出現壓裂縫；（4）在空洞側拱腰處，因彎矩作用會產生拉應力，其因軸力較小，對彎矩產生的拉應力抵消部分較小，因此，該處會出現拉裂縫，在密實側拱腰處也將相繼出現拉裂縫。

4 結論

通過對隧道拱部、邊墻及兩個位置同時存在襯砌欠厚及空洞這三種情況進行數值模擬分析后可得出以下結論：

（1）當拱頂存在空洞時，拱腰首先出現裂縫，隨著后期荷載增加時，空洞襯砌外側應拉應力較大而開裂，在邊墻內側，出現壓裂縫；

（2）當拱部空洞擴大時，開裂位置將向上移動，荷載增加時，空洞范圍大者較小者先出現裂縫；

（3）當邊墻出現空洞時，隨著后期荷載的增加，在空洞處會出現壓裂縫；在空洞上方的襯砌內側，會出現拉裂縫；

（4）當荷載增加時，對于邊墻和拱頂均存在空洞時，隨著后期荷載的增加，首先在空洞處出現壓裂縫；其次，在空洞側拱腰處，會出現拉裂縫，最后在密實側拱腰處將相繼出現拉裂縫。

[1]王建宇.隧道工程的技術進步[M].北京：中國鐵道出版社.2004

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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，四川自貢人，碩士，講師，研究方向：隧道工程。