背后組合空洞對隧道襯砌結構安全性影響評價研究

鄧皇根

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

隧道工程在逐步建設的同時，因受地質、氣候、設計、施工等因素的影響，隧道往往存在著各種缺陷［1-3］。隧道襯砌背后存在空洞是隧道常見的主要病害之一。公路隧道運營過程中易出現二襯背后空洞現象，造成二襯開裂、滲漏水、承載力不足等危害。空洞缺陷的存在將極大程度上引起隧道襯砌結構受力特性的變化，使得隧道運營期間的結構安全穩定性存在著不可控的風險。據統計，目前公路隧道襯砌的拱頂、拱腰、拱腳、拱底等部位有10%～50%區域存在不同程度空洞病害［4-5］。若任其持續發展會導致空洞范圍內圍巖持續塌空引起隧道襯砌開裂、漏水等危害，嚴重影響隧道結構與行車安全。

1 工程概況

某雙車道分離式公路隧道隧址區系黃土山梁丘陵地貌，位于祁連中部隆起帶和南祁連冒地槽褶皺帶，未見斷層發育。巖層主要為泥質結構，厚層狀構造，主要為水云母等黏土礦物組成，地質構造簡單，為IV 級圍巖。隧道Ⅳ級圍巖采用復合式襯砌，支護參數通過結構分析并結合工程類比確定襯砌結構支護參數見表1。隧道內輪廓與建筑限界見圖1。

表1 復合式襯砌支護參數

圖1 隧道建筑限限界

2 襯砌結構安全性評價指標

依據《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）［6］，計算強度安全系數。

結構安全系數：

式中：Ra—混凝土抗壓極限強度，kN·m；R1—混凝土抗拉極限強度，kN·m；K—襯砌截面抗壓強度強度安全系數；N—軸向力，kN；b—截面寬度，m；h—截面厚度，m。

3 隧道背后空洞數值模擬

3.1 建立計算模型

為了更接近實際情況，將初期支護和二襯荷載分擔比例考慮為60%。背后空洞的存在說明周邊圍巖實際與襯砌結構之間已經脫空，相互作用十分不明顯。為了模擬出真實空洞存在下的結構實際受力狀態，假設空洞范圍大小區間內隧道結構不受任何作用，去除空洞范圍內作用力與地基彈簧反力實現［7-8］。設置材料類型為各項同性，受力結構采用非線性分析，材料物理力學參數見表2。Midas/GTS NX 軟件模擬襯砌拱頂部位存在組合空洞以及組合空洞位置對隧道結構模型，襯砌背后空洞的數值模擬見圖2。

表2 材料物理力學參數

圖2 計算模型

3.2 結果分析

采用Midas/GTS NX 對隧道拱頂、右拱腰、右拱腳襯砌位置處背后各30°范圍的三種組合空洞（拱頂+右拱腳、拱頂＋右拱腰、右拱腳+右拱腰）下的受力情況進行建模分析，得出其軸力圖、彎矩圖。圖3 中（a）～（d）為襯砌背后有無空洞數值模擬結果。

由圖3 中軸力圖分析可以看出，組合空洞的存在對隧道結構內力影響比較顯著，造成結構應力重新分布，整個襯砌結構的內力絕對值尤其是空洞范圍的內力絕值變化最為明顯，相比無空洞的情況，整個襯砌結構軸力值及空洞處的軸力值都有所減小。對比分析圖3（b）、（d）、（f）彎矩發現相比無空洞情況下組合空洞中拱頂存在空洞時，拱頂部位處的彎矩由正彎矩變為負彎矩。其余部位相比存在空洞前后結構彎矩值有所增大。分析（h）發現右拱腳+右拱腰組合空洞存在下拱腳部位處的彎矩也發生了變化，且空洞處彎矩值也有所增大。

提取模型中拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱角以及仰拱等特征點軸力與彎矩值，計算得出襯砌結構安全系數件表3，繪制安全系數變化見圖4。

表3 襯砌結構安全系數

分析表3 襯砌結構安全系數，發現無空洞情況下襯砌背后安全系數分布范圍在14.48 ～22.57，最小值出現在拱頂部位處，最大值出現在仰拱部位處。在組合空洞存在工況下襯砌背后各特征點的安全系數都有所降低，右拱腳（30°）+右拱腰（30°）組合空洞工況的結構整體安全系數最低。但無論是無空洞或者組合空洞情況下安全系數較低的部位集中出現在拱頂部位及拱腰部位，仰拱部位安全系數相對較高。

圖4 安全系數變化

對比分析左右兩側拱肩、拱腰、拱腳的安全系數發現，拱腰的安全系數相比拱肩及拱腳都較小，且右側拱肩、拱腰及拱腳處的安全系數整體小于左側對應部位的安全系數值，究其原因是三種組合空洞工況下襯砌右側均存在30°的背后空洞，致使結構右側特征點安全系數整體小于左側部位。從圖4可以看出，無空洞工況下右拱肩、拱腰及拱腳安全系數在施加組合空洞工況下背后安全系數均發生了驟減，如右拱腰處的安全系數在無空洞時為15.56，施加組合空洞工況后安全系數迅速減小，右拱腳（30°）+右拱腰（30°）組合空洞工況下右拱腰的安全系數僅為3.88，認為此時結構右拱腰處極易發生破壞。可以認為三種組合空洞工況下對結構右側整體安全影響更顯著。

4 結語

（1）組合空洞的存在會使得襯砌結構內力發生顯著變化；結構整體軸力及空洞處軸力值都有所減小，空洞處彎矩值明顯增大。（2）組合空洞的存在使結構整體安全系數減小，右拱腳（30°）+右拱腰（30°）組合空洞工況的結構整體安全系數最低。安全系數較低的部位集中出現在拱頂部位及拱腰部位，仰拱部位安全系數相對較高。（3）三種組合空洞的存在使結構右側特征點安全系數發生驟減，右拱腰部位處發生結構破壞的可能性最大；認為三種組合空洞工況下對結構右側整體安全影響更顯著。