富水區隧道二次襯砌混凝土施工冷縫致災機理研究

董武

中國國家鐵路集團有限公司，安全監督管理局，北京100844

鐵路隧道二次襯砌混凝土采用模板臺車分窗澆筑，混凝土自下而上進行填充。實際施工過程中兩次澆筑間隔過長導致混凝土層間結合不緊密進而產生施工冷縫。二次襯砌混凝土單次澆筑縱向長度與模板臺車長度一致，因此只要出現施工冷縫，其縱向長度必然與模板臺車長度（12 m）相當，且會與隧道環向施工縫相交。

二次襯砌施工冷縫在外觀上只是一條細縫，實質上是先后澆筑的混凝土之間的一個結合面。結合面處混凝土黏結力不足，導致二次襯砌結構整體承載能力降低，在圍巖荷載、地震力、水壓力等外力作用下存在掉塊隱患。隧道施工過程中主要通過優化澆筑方式來防止冷縫產生。魏加志［1］分析了隧道二次襯砌混凝土冷縫病害成因，優化了二次襯砌邊墻混凝土分層逐窗澆筑系統。梅源等［2］提出了二次襯砌混凝土滑槽逐窗入模澆筑技術、拱頂帶模注漿及防脫空監測技術。龔成明等［3］提出了拱頂帶模注漿時襯砌厚度不足、空洞、掉塊防治技術。姬海東等［4］研制了集成帶壓入模、高頻振搗和數字化控制的新型隧道數字化襯砌臺車，提高了混凝土澆筑質量。王耀東等［5］研發了隧道襯砌裂縫局部紋理處理算法，提高了襯砌裂縫檢測精度。趙鵬等［6］分析了獅子嶺隧道二次襯砌開裂掉塊成因，提出了錨注一體化解決方案。王志偉等［7］針對隧道襯砌結構開裂掉塊和背后空洞缺陷，研制了聚酰胺類固化涂劑與單組分聚氨酯防護材料。張翠兵［8］介紹了鐵路隧道襯砌狀態檢測車的工程應用效果和養護維修技術。陳望祺等［9］提出使用波紋鋼板套襯來解決施工冷縫等引起的襯砌掉塊脫落問題。

當前的研究在施工期防止冷縫生成和運營期探測治理冷縫方面取得了豐碩成果，但對隧道冷縫與襯砌掉塊等病害之間的關聯性研究還有待提升，近年來頻繁出現的高壓富水隧道冷縫附近混凝土掉塊的原因也需進一步研究。本文針對一運營中的高壓富水隧道冷縫附近混凝土掉塊情況，采用數值模擬方法分析其結構破壞機理，為其他工程提供參考。

1 工程概況

該隧道結構形式為復合式襯砌帶仰拱，噴射混凝土、二次襯砌混凝土強度等級分別為C25、C30，厚度分別為12、40 cm。隧道在運營過程中突發掉塊事故，掉塊區上部混凝土斷口整齊、光滑且近水平狀，從形態可判斷出上部混凝土斷口為施工冷縫，見圖1。下部斷口不平整且呈鋸齒狀，可能為二次襯砌結構承載過高導致的破壞。掉塊區縱向長度約11.5 m，高度最大3 m，且掉塊區二次襯砌背后存在空洞致使二次襯砌厚度不足。掉塊區隧道側溝可見4個縱向盲管的泄水口被異物堵塞，掉塊區對側縱向盲管缺少泄水口，兩側側溝內水量很小。

圖1 二次襯砌混凝土掉塊脫落區域（單位：m）

隧址區在襯砌掉塊前出現了強降雨天氣。根據當地氣象觀測站（距離隧道進口約2.5 km）降雨量統計，掉塊前1日降雨量達143.8 mm，且掉塊區位于巖溶水垂直滲流帶。

2 二次襯砌掉塊機理數值模擬分析

2.1 模型建立與參數選取

通過有限元軟件建立實體模型（圖2），初期支護與二次襯砌之間設置接觸面contact174，模擬有防水板情況下初期支護與二次襯砌結構之間的相互擠壓和滑移；冷縫結合面、施工縫結合面設置接觸面contact174，模擬混凝土結合面之間的摩擦擠壓。混凝土結構采用彈性模型，圍巖采用Drucker?Prager彈塑性模型，模型兩側取4倍洞徑以消除邊界效應，底部取2倍洞徑，埋深取140 m。模型沿隧道縱向取36 m，中間12 m設定為襯砌掉塊段。

圖2 數值模型

模擬計算時圍巖參數取TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［10］中Ⅲ級圍巖的中間值，見表1。

表1 計算參數

二次襯砌結構冷縫采用接觸面進行模擬，混凝土接觸面摩擦因數取0.35（完全鑿毛結合時為0.70）。冷縫脫落區一直延伸到施工縫處，故施工縫處也添加接觸面進行模擬。假定施工縫按標準流程施工，施工縫處混凝土結合面摩擦因數取0.70。根據現場資料，二次襯砌厚度不足區徑向深度取5 cm，采用生死單元模擬該處空洞。細部模型見圖3。

圖3 細部模型

由于襯砌掉塊前出現了暴雨到大暴雨、局部特大暴雨的強降雨天氣，且掉塊區的隧道排水功能受阻，因此本次計算考慮水壓力影響，水頭高度取結構檢算中該襯砌能承受的極限值（約7.8 m）。

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 二次襯砌受力分析

掉塊區二次襯砌表面接觸壓力見圖4。二次襯砌表面接觸壓力最大值為1.65 MPa，出現在冷縫邊緣，遠超一般Ⅲ級圍巖荷載。襯砌厚度不足區承受的荷載極小，荷載被轉移到冷縫處。冷縫處混凝土結合面的黏結強度原本就不足，冷縫處混凝土在集中荷載作用下可能發生破壞，存在朝隧道凈空一側脫落的傾向。

圖4 二次襯砌表面接觸壓力（單位：MPa）

二次襯砌表面剪應力分布見圖5。可知：二次襯砌表面剪應力最大值（3.37 MPa）出現在冷縫和施工縫的交界處；厚度不足區剪應力已達10.8 MPa，均遠超C30混凝土抗剪強度極限值1.1 MPa。

圖5 二次襯砌表面及厚度不足區剪應力分布（單位：MPa）

施工縫、冷縫處混凝土結合面的相對滑移量見圖6。相對滑移量最大值（6.324 mm）出現在施工縫和冷縫相交處，說明此處為掉塊的起始點。

圖6 施工縫、冷縫處混凝土結合面的相對滑移量（單位：mm）

二次襯砌掉塊區混凝土第一主應力見圖7。對比圖7和圖1可知，二次襯砌掉塊區混凝土第一主應力最大值達到5.78 MPa，位于施工縫下端，超出C30混凝土極限抗拉強度（2.2 MPa）。第一主應力集中區域呈三角形分布（圖7中紅圈），三角形界限為冷縫-施工縫-二者端點的連線。第一主應力集中區域與現場二次襯砌掉塊區的位置和范圍基本吻合。

圖7 掉塊區混凝土第一主應力分布（單位：MPa）

2.2.2 二次襯砌掉塊原因

結合現場混凝土脫落情況、數值計算結果可以推斷二次襯砌掉塊機理為：①二次襯砌背后空洞造成襯砌厚度不足，荷載集中于厚度不足區邊緣，在冷縫附近二次襯砌表面形成了荷載集中的現象，且其數值遠超一般圍巖荷載，本應較為均勻且線性作用在二次襯砌表面的荷載卻由冷縫處集中承擔。②在集中荷載作用下二次襯砌背后空洞靠近冷縫處出現了剪應力集中區，該處混凝土受到向隧道凈空側的推壓作用，有向凈空側脫落的傾向。與一次性澆筑成型相比，冷縫和施工縫兩處混凝土結合面黏結力本身就不足，其黏結力抵抗不了外荷載的剪切作用，使得冷縫-施工縫所圍成的混凝土區向凈空一側脫落，如圖8所示。

圖8 結構破壞機理

3 結論與建議

1）二次襯砌結構冷縫常與環向施工縫相交，二者相交處成為承載薄弱區，在局部集中荷載作用下二次襯砌存在向隧道凈空處脫出的傾向，從而給鐵路隧道運營帶來安全隱患。

2）應重視防排水系統對隧道安全運營的影響，穩定通暢的排水路徑是保證襯砌背后水壓力不出現局部集中的必要條件。隧道襯砌背后的防排水系統由于其隱蔽性，出現問題極難恢復至原有狀態，應在建設期就將其做好做精。