拱頂脫空對隧道襯砌結構力學特性的影響分析

王 丹

(中鐵十八局集團有限公司勘察設計院 天津 300300)

1 引言

隨著交通基礎設施的不斷發展完善，我國軌道交通行業取得了令人矚目的成績。城市軌道交通建設主要采用暗挖法施工，而初期支護和二次襯砌作為暗挖隧道的主要支護結構[1－2]，初期支護往往由于爆破控制不當導致圍巖超欠控嚴重使得初期支護背后出現脫空；而二次襯砌施工過程中，在重力、混凝土流動性較差和模板支撐松弛等原因的共同作用下，在隧道拱頂位置易出現空洞[3－4]，對襯砌整體結構受力不利，且在長期運營地鐵動荷載作用下安全隱患更大。因此，對襯砌背后空洞的影響作用進行研究顯得尤為重要。郭建強等[5]對既有隧道襯砌空洞的成因進行分析，在“拱頂防脫空預注漿”措施基礎上，采用雷達檢測及敲擊等方法，避免了隧道襯砌空洞及開裂病害；蔣暉光[6]依托某鐵路隧道缺陷處治工程，應用數值模擬方法對不同襯砌空洞程度及不同脫空位置下的襯砌結構穩定進行分析，結果表明襯砌空洞降低了結構的整體受力性能和安全性；趙陽川等[7]依托某高速鐵路隧道，分析襯砌空洞主要原因是工藝設備落后及施工工藝過程管控不嚴，并提出開窗二次澆筑法及回填注漿措施；任志坤[8]采用有限元法對隧道襯砌頂部有空洞和無空洞的受力情況進行了對比分析，結果表明無空洞的隧道襯砌頂部始終處于受力平衡狀態，襯砌存在空洞打破原有的力學平衡，易出現失穩破壞。綜上所述，目前有關隧道襯砌空洞的研究比較多，主要集中在隧道襯砌空洞的形成原因、危害及整治措施方面，而有關襯砌空洞對隧道整體結構的影響研究還不全面，因此，研究襯砌拱頂脫空對隧道結構力學特性的影響規律非常必要。

2 襯砌背后脫空成因及危害

2.1 襯砌背后脫空的成因

隧道襯砌結構不僅有提高隧道承載力、穩定性，防止隧道出現坍塌的作用，而且起著控制圍巖變形，與圍巖相互作用共同承載的作用。隧道襯砌結構主要包括初期支護和二次襯砌，一般在兩次襯砌施工中都可能導致空洞的形成，因此，對兩次襯砌形成空洞的原因進行分析如下:

(1)在初期支護施工中，超挖是導致隧道出現空洞的主要原因，而對超挖產生影響的主要有節理與爆破兩大因素。節理走向與隧道中心軸線夾角的不同，會使得施工超挖概率的不同。而在爆破施工過程中，鉆孔作業人員為便于施工，鉆孔作業時炮孔布置間距及偏角與爆破設計存在較大差異，這種施工操作是導致超挖主要因素之一。

(2)在二次襯砌施工中，若混凝土噴射厚度不足時，將會留下空洞而影響工程整體質量。為保證拱腳與邊墻位置混凝土的密實性，通常按先澆筑拱腳，后邊墻，最后拱頂的澆筑順序，但在重力與混凝土流動性較差等原因作用下，該種澆筑方式易導致拱頂混凝土密實性較差，造成隧道拱頂出現脫空現象；此外，襯砌防水板過于松弛導致模板彎折，也易造成襯砌背后脫空。

2.2 襯砌背后脫空的危害

襯砌脫空是隧道發生事故或病害的重要原因。其中，混凝土剝落、拱頂部位被壓裂等病害主要是由于襯砌背后脫空所致。而空洞對隧道的破壞形式主要有以下3種:

(1)導致圍巖變形。當襯砌出現脫空時會造成圍巖松弛、變形，同時降低圍巖承載力。然而，這是沒有先兆性的，屬于脆性破壞，且隨著時間的推移，圍巖會逐漸脫落，造成圍巖承載力大幅降低，而襯砌承擔的荷載大幅提升，當達到襯砌承載力臨界點時，便會出現襯砌破壞、隧道坍塌，如圖1a所示。

(2)導致鋼筋腐蝕。當隧道拱頂存在空洞時，會改變地下水的滲流路徑，使得地下水入滲到隧道鋼筋混凝土中，造成鋼筋腐蝕，在一定程度上降低了襯砌的承載力。

(3)導致襯砌開裂。由于空洞位置失去了底層反力作用，因此，隨著時間推移會逐漸向外側擠出變形，使得空洞處襯砌不僅會受到內側的壓力，而且還會受到外側的拉力，造成脫空位置襯砌開裂(見圖1b)，甚至被壓潰。襯砌開裂不僅會降低其承載能力，同時，還會降低整體結構的穩定性，嚴重時會發生坍塌事故。

由于襯砌的類型不同、位置不同、圍巖級別不同，襯砌背后所產生的空洞也具有一定差異，通常表現為以下幾種狀態[9]:(1)對于襯砌背后的空洞累計長度約占據隧道總長度的10%，主要表現為初期支護背后脫空現象，復合式襯砌背后出現空洞的情況較少；(2)脫空現象與圍巖的穩定性具有密切聯系，二者之間呈反比例關系，即圍巖穩定性越高，則脫空現象越少，一般情況下，隧道拱頂位置空洞的數量最多、尺寸最大，其次是拱腰位置，最后是拱腳位置。隧道開挖面積較小時，則脫空直徑大多為20～50 cm，脫空深度大約在10～50 cm之間，拱頂脫空角度為10°～30°，如圖2所示。

3 數值計算模型

3.1 數值模型建立

綜合考慮各方面因素，建立二維平面應變模型，整體模型尺寸為100 m×60 m(長度×寬度)，其中雙線地鐵隧道開挖寬度為12.5 m，開挖高度為10.5 m。為保證計算結果具有準確性及運算速度，對隧道近區網格加密，遠區網格相對較稀疏，共劃分為3 256個節點，2 764個單元，隧道襯砌共劃分為49個梁單元。數值計算模型中，地層及徑向加固圈均采用平面應變單元模擬，襯砌采用梁單元模擬，拱頂脫空為月牙形空洞采用無接觸單元。模型中僅考慮自重作用，底部邊界為豎向位移約束，左右邊界為法向約束。

3.2 模型參數選取

隧道淺埋與深埋的襯砌受力規律并無明顯差異，而圍巖的受力情況受地質環境變化會有所差異。考慮隧道徑向錨桿或徑向小導管注漿加固影響，隧道襯砌周邊形成環向4 m范圍的加固圈，加固圈采用等效模量法確定[10]，而隧道二次襯砌采用厚度為40 cm的C30現澆混凝土，隧道二次襯砌及Ⅴ級圍巖參數依據相關規范標準選取[11]，具體模型參數如表1所示。

表1 模型物理力學參數

3.3 數值模擬工況

基于二維數值模型，對不同襯砌拱頂脫空尺寸下隧道結構力學進行分析。同等深度狀態下，假設深度D為30 cm，拱頂脫空角度范圍α分別為10°、20°、30°；同等脫空角度范圍下，拱頂脫空角度范圍α為20°，脫空深度D分別為10、30、50 cm，具體分析工況如表2所示。

表2 數值模擬工況

4 數值計算結果分析

4.1 隧道襯砌受力特征分析

圖3為不同工況下隧道襯砌單元受力分布。從圖中可以看出，襯砌單元軸力隨著拱頂脫空角度范圍的增大，整體呈現減小的變化趨勢，但襯砌各單元軸力分布規律保持不變，說明隧道拱頂脫空改變了襯砌與圍巖的接觸方式，導致隧道襯砌結構整體受力狀態發生改變；而隧道拱頂脫空深度對隧道襯砌軸力影響較小，隨著脫空深度的增大，軸力減小幅度很小。因此，襯砌結構軸力受拱頂脫空角度范圍影響較大，而與脫空深度影響關系較小。不同拱頂脫空深度及脫空角度范圍下，襯砌受到的彎矩形式并無顯著差異，且拱頂的正、負彎矩值與脫空深度、脫空角度呈正比例關系，隨著拱頂脫空角度范圍的增大，拱頂彎矩由正值(襯砌內側受拉)減小至0再減小至負值(襯砌外側受拉)，其鄰近拱腰位置彎矩發生“反轉”平移，因此拱頂脫空對隧道拱頂及鄰近位置均產生不利影響。

圖3 不同工況下隧道襯砌單元受力分布

4.2 隧道襯砌穩定性分析

襯砌截面的安全系數K是評定隧道整體結構安全性能的主要指標[12]，其計算方式如下:

(1)當偏心距e0≤0.2h時

式中，K為襯砌截面的安全系數；Ra為襯砌的最大抗壓強度(MPa)；N為軸向力(kN)；b為襯砌截面寬度(m)；h為襯砌截面厚度(m)；φ為構件的縱向彎曲系數；α0為軸向力的偏心影響系數。

(2)當偏心距e0>0.2h時

式中，R0代表襯砌的最大抗拉強度(MPa)；M為彎矩(kN·m)；其他符號物理意義同前。

從表3中可以看出，工況1表示正常工況下襯砌拱頂和鄰近單元均表現為受壓狀態，襯砌單元安全系數均大于2.0，處于安全狀態。隨著拱頂脫空角度范圍和脫空深度的不斷增大，安全系數呈現下減趨勢，相比脫空深度而言，脫空角度范圍對安全性系數影響較大，拱頂脫空位置及鄰近單元為大偏壓受拉破壞，因此，脫空位置為隧道整體結構的薄弱點，應重點關注并采取相應處置措施，確保襯砌背后填充密實。

表3 襯砌單元安全性系數

5 結束語

本文統計分析了隧道襯砌脫空的形成原因及病害特征，襯砌易脫空的主要因素是破碎節理化巖體及隧道爆破超欠挖控制不利，而隧道襯砌脫空易導致襯砌開裂、滲水、鋼筋腐蝕及運營隧道襯砌局部坍塌等危害；另外，通過數值模擬分析6種不同隧道拱頂脫空角度范圍與脫空深度組合工況作用下襯砌單元的力學特性及穩定性，得出以下結論:不同脫空深度及脫空角度條件下，襯砌受到的彎矩大小并無顯著差異，且拱頂的正、負彎矩值與脫空深度、脫空角度呈正比例關系。而拱頂脫空僅引起小范圍內的軸力變化，且變化較小，因此拱頂負彎矩最大處的襯砌截面最危險，易發生拱頂襯砌外側大偏心受拉破壞，而鄰近單元內側易發生受拉破壞現象。本文通過隧道拱頂脫空力學特征分析，提出拱頂脫空對襯砌結構影響的最不利受力狀態及危害，因此在施工中應避免出現拱頂脫空。