襯砌背后局部空洞對隧道安全性影響分析

王海蛟 王記平 王凱

（中建路橋集團有限公司1) 河北石家莊050001 河北交通職業技術學院2) 河北石家莊 050091）

1 引言

目前國內公路隧道的支護手段主要采用錨桿和噴射混凝土組合方式，在施工過程中由于襯砌背后回填不夠密實，或者在后期營運過程中，由于地下水的沖刷、腐蝕作用，有可能在襯砌背后產生空洞。襯砌背后空洞具有形態特征復雜、難以發現、不易根治等問題；同時，空洞也是其它病害的重要誘因。襯砌背后局部空洞的存在會降低襯砌的承載力，影響圍巖的整體穩定性。空洞往往會引起滲漏水等病害發生，若處治不及時可能會造成襯砌的大范圍垮塌，威脅著隧道運營過程中的安全。因此，開展襯砌背后空洞對襯砌結構安全性影響規律，準確評估隧道的健康狀態，并提出相應的治理措施，對預防隧道空洞本身及其所引起其它病害的安全問題，保證隧道的安全運營、延長了使用壽命等具有重要的社會和經濟意義。

近年來，國內外學者基于彈塑性理論和數值模擬方法對襯砌背后空洞現象展開了廣泛研究。對不同位置、不同大小的空洞進行了平面彈塑性力學計算仿真，獲得了空洞特征對圍巖結構安全系數的影響規律，分析了造成圍巖松動、襯砌裂損的關鍵因素和臨界條件。結合國外內工程實例，研究者根據具體的空洞病害成因，提出了補強、內襯和注漿等多種治理措施及相應的應用原則和方法。本文結合某隧道工程實例，利用有限元軟件建立隧道平面彈塑性模型，計算了不同埋深下拱腳空洞存在時圍巖的位移及壓力、圍巖塑性區分布以及襯砌結構安全性系數，分析了拱腳空洞對襯砌整體結構穩定性的影響，為預測襯砌背后局部空洞引起的巖體結構變化、提高結構穩定性提供參考。

2 工程概況

依托隧道所在地隸屬保定阜平縣，為上、下行獨立雙洞四車道分離式隧道，全幅隧道范圍右線-K0+493.612～K0+494，長度987.612m，其中保定段長354m，左線-ZK0+501.822～ZK0+492，長度993.822m，其中保定段長352m。全長990.717m，屬中隧道。

隧址屬構造剝蝕低山區峰叢山地地貌，區內最大標高713.66m，最低標高583.16m，相對高差130.5m。隧道通過山體的自然坡度變化較大，地表剝蝕現象較為強烈。隧址區地層簡單，地質構造主要為新華夏系太行山隆起區，出露地層主要為第四系殘坡積（Qel+dl）的碎石土及燕山早期（r52）花崗巖，局部為燕山晚期（δ52）閃長巖。隧道圍巖級別綜合評價為Ⅱ～Ⅴ級，圍巖以花崗巖為主，并有閃長巖侵入體，由于基底巖石為片麻巖，花崗巖或閃長巖為后期侵入體。

對該隧道進行檢測發現襯砌與圍巖之間存在多處回填不密實的情況，局部空洞主要集中在拱腳及邊墻處。本文主要對不同埋深下拱腳左側空洞進行仿真分析。

3 襯砌背后局部空洞模型的建立

選定依托工程典型斷面尺寸如圖1（a）所示，基于彈塑性理論，利用abaqus 數值計算軟件，建立計算模型如圖1（b）所示。初支與二襯視為整體，圍巖、初支與二次襯砌材料的力學參數列于表1 中。采用應用較為廣泛的二維地層-結構法進行受力計算，空洞形狀設為環形，選取典型尺寸為環向寬度2.0 m，深度0.5 m，根據空洞的實際受力情況，計算過程中忽略空洞位置單元。

表1 圍巖和襯砌材料的力學參數

圖1 隧道計算模型

4 安全性分析

4.1 不同埋深下空洞對圍巖變形的影響

以10 m 和200 m 作為典型淺埋段和深埋段埋深，計算兩種條件下圍巖在水平（X）和豎直（Y）方向的變形位移，結果如圖2 所示；不同圍巖變形隧深度變化如圖3 所示。

圖2 圍巖變形分布

從圖2 可以看出：拱腳處存在空洞時，淺埋段隧道圍巖體的水平位移和豎直位移大致以隧道中心線呈現對稱分布，其最大水平位移出現在拱腰處，最大豎向位移出現在左右拱腰上部以及拱頂位置；而深埋段圍巖體的最大水平位移和最大豎向位移則在空洞部位。計算不同埋深下圍巖在水平（X）和豎直（Y）方向的變形位移，其位移變化情況如圖3 所示。

圖3 不同埋深下圍巖位移的變化

從圖3 可以看出：拱腳位置出現空洞時，圍巖水平和豎直方向的變形位移隨著埋深的增加先增大后減小，最大位移出現在淺埋段，當埋深超過300 m 后位移變化趨于穩定。

4.2 不同埋深下空洞對圍巖壓力的影響

圖4 為拱腳空洞存在時圍巖典型壓力分布，以及不同埋深下空洞、拱頂、左右拱腰、拱腳、仰拱處圍巖壓力的變化趨勢。

圖4 不同埋深下關鍵部位的壓力變化

圖4 表明：最大壓力變化出現在空洞處，隨著埋深的增加，空洞部位圍巖壓力呈現波動變化，增長百分比逐漸下降，埋深300m 之后穩定在12%左右。相比而言其它部位圍巖壓力的增長較小，隨埋深的加深壓力變化趨于穩定。

4.3 不同埋深下空洞對圍巖塑性區的影響

隧道開挖過程中，不可避免會造成圍巖擾動，擾動程度的大小可用圍巖塑性區分布來衡量。一般而言，若隧道開挖過程中圍巖所受壓力小于巖體自身強度，則處于彈性狀態；若隧道開挖過程中圍巖所受壓力大于巖體自身強度，則處于塑性狀態，圍巖將產生較大塑性變形。

在拱腳處有空洞的情況下，淺埋段（埋深小于40 m）圍巖應力集中主要在邊墻和拱腳處，而深埋段應力集中區域從拱腰、拱腳轉移到空洞區域，空洞部位為圍巖的薄弱環節。通過以上分析可知，對于埋深小于40 m 的淺埋段，在施工過程中重點監測和加固拱腳和拱腰等區域，而埋深大于40 m 的深埋段，拱腳處的空洞區域為圍巖的薄弱區域，施工過程應采取打設錨桿、注漿加固等手段予以補強。

4.4 隧道結構安全度

拱腳局部空洞時不同埋深條件下隧道襯砌結構安全系數隨隧道埋深變化情況如圖5 所示。

從圖5 可以看出：當埋深小于100 m 時各處的安全系數出現較明顯的上下波動，埋深超過300 m 后，安全系數趨于穩定。隨著埋深的增加，仰拱、左拱腰與拱頂位置的安全系數呈現下降趨勢，其仰拱和左拱腰位置安全系數降幅最大；右拱腳和右拱腰區域安全系數略有增加。隧道結構安全系數計算同樣表明：襯砌背后拱腳位置存在局部空洞對拱腳及拱腰位置襯砌結構影響最大，并且隨著隧道埋深的增加其對應位置安全系數逐步減小，最終趨于穩定，這一結果與前述位移和圍巖壓力的分析一致。

圖5 不同埋深下襯砌結構的安全系數

5 結論

基于二維地層-結構法，采用abaqus 計算軟件分析了襯砌背后拱腳部位存在空洞的情況下，不同埋深處圍巖的位移、壓力、塑性區以及襯砌結構安全系數的變化情況，獲得如下結論：

（1）淺埋段隧道圍巖體的最大水平位移出現在拱腰處，最大豎向位移位于左右拱腰及拱頂處；深埋段圍巖體的最大水平位移和豎向位移均位于空洞位置。

（2）最大壓力變化出現在空洞處，空洞部位圍巖壓力呈現波動變化，淺埋段增長迅速。隨著埋深的增加，增長百分比逐漸下降，埋深300 m 之后穩定在12%左右。

（3）淺埋段圍巖應力集中主要出現在邊墻和拱腳處，而在深埋大于40 m 后應力集中在空洞區域，此時空洞部位為圍巖的薄弱環節。

（4）隨著埋深的增加，仰拱、拱腰與拱頂結構的安全系數下降，拱腰和空洞部位降低幅度最大；拱腳空洞對圍巖拱腳與拱腰的危害最大，隨埋深增加這些部位的安全系數減小，最終趨于穩定。