隧道襯砌與圍巖松散接觸對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響研究

龍騰 李清海

摘要：為探討襯砌后與圍巖松散接觸狀態(tài)對(duì)隧道安全性的影響，文章以巴平高速公路隧道為例進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)了松散接觸狀態(tài)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)在不同密實(shí)度和不同松散接觸面積下力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：為了保持襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，建議襯砌后回填灌漿的密實(shí)度應(yīng)在80%以上，強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到圍巖強(qiáng)度的50%以上。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌；圍巖松散；隧道結(jié)構(gòu)；密實(shí)度

中圖分類號(hào)：U456.3+1 A 42 138 4

0 引言

公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的有效接觸在發(fā)揮結(jié)構(gòu)承載力和確保隧道安全穩(wěn)定運(yùn)行方面起著重要作用［1］。目前，對(duì)隧道襯砌后空隙的研究較多。有研究認(rèn)為彈塑性有限元分析可用于探索孔隙的不同尺寸、位置和深度對(duì)襯砌變形和應(yīng)力重新分布的影響［2］；有學(xué)者對(duì)現(xiàn)有污水管或圓形隧道壁后的侵蝕空隙進(jìn)行了三維（3-D）數(shù)值分析［3］；張治國(guó)等［4］進(jìn)行了模型試驗(yàn)，以評(píng)估局部接觸損失影響下襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的力學(xué)行為；尹超等［5］還采用了各種無(wú)損檢測(cè)（NDT）方法來(lái)評(píng)估襯砌質(zhì)量，同時(shí)對(duì)隧道施工的安全性進(jìn)行了全面調(diào)查。

然而，這些研究大多局限于在研究襯砌后的空隙時(shí)，假定襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖不完全接觸。在實(shí)際工程中，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸狀態(tài)是復(fù)雜的，并隨著時(shí)間的推移而變化。由于地下水的作用、開(kāi)挖不當(dāng)、襯砌后回填灌漿不足等原因［6］，在大多數(shù)情況下，襯砌后留下的小空隙使襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖松動(dòng)部分接觸，且襯砌后回填灌漿區(qū)的密實(shí)度或強(qiáng)度不足是否對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響，需進(jìn)行深入研究。因此，本文主要研究隧道襯砌與圍巖之間的松散接觸對(duì)公路隧道安全的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

使用Abaqus v6.14-1軟件（Dassault Systèmes，Providence，RI）用于數(shù)值分析襯砌后接觸狀態(tài)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響。數(shù)值模擬中使用的隧道幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。將襯砌結(jié)構(gòu)背面的一部分設(shè)置為松散接觸區(qū)域，根據(jù)非完整的接觸條件，將其與巖體的非完整接觸狀態(tài)劃分成兩類：（1）松散區(qū)域內(nèi)有許多小空隙；（2）松動(dòng)區(qū)域內(nèi)的巖石或灌漿材料強(qiáng)度不足［7］。

圖1所示為數(shù)值模擬模型。在本研究中，由于主要目的是分析襯砌與圍巖之間松散接觸的影響，襯砌被簡(jiǎn)化為一個(gè)整體。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，襯砌的厚度取0.65 m，隧道的深度為18.72 m。為使邊界影響最少，邊界與通道的間距應(yīng)當(dāng)是通道間距的21倍。在本研究中，設(shè)定模型長(zhǎng)40 m、寬120 m、高48 m。在隧道中間到橫線的間距是5個(gè)洞長(zhǎng)，而在通道的下面和下面的邊界處則是4個(gè)洞高。通過(guò)優(yōu)化松散區(qū)及襯砌結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，確保了數(shù)值模擬的精確度。總共有70 344個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格類型是線性六面體元素C3D8。

在襯砌與周邊巖體的交互界面中，采用面-面的接觸方式來(lái)研究接觸壓力的變化。用指數(shù)法定義的懲罰性接觸剛度被正常應(yīng)用，庫(kù)侖摩擦（摩擦系數(shù)為0.8）被切向應(yīng)用。根據(jù)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，周圍的巖石被認(rèn)為是理想的彈塑性材料。此外，垂直邊界的水平位移被約束，而模型的底部在垂直方向被約束。根據(jù)隧道開(kāi)挖的程序，選擇地質(zhì)靜力程序來(lái)建立初始地質(zhì)靜力場(chǎng)，開(kāi)挖后襯砌和空隙同時(shí)被激活。

1.2 模型參數(shù)

本研究采用了7個(gè)不同的密實(shí)度（10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%）。對(duì)于松散區(qū)巖石的強(qiáng)度不足，通過(guò)逐步降低巖石強(qiáng)度參數(shù)來(lái)模擬。松散區(qū)域的巖石強(qiáng)度分別被削弱了30%、50%、70%和90%。具體參數(shù)如表1所示。

1.3 工程背景

以廣西巴平高速公路隧道為研究對(duì)象。該隧道的施工采用了傳統(tǒng)的鉆爆法。在鉆孔和爆破后，周圍巖石被復(fù)合襯砌所支撐。隧道一開(kāi)始用近0.1 m厚的噴射混凝土支撐，然后用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌支撐隧道。由于襯砌結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了裂縫，為了維護(hù)隧道結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)估。然而，不僅在襯砌結(jié)構(gòu)后面發(fā)現(xiàn)了空隙，還發(fā)現(xiàn)了襯砌結(jié)構(gòu)和周圍巖石之間的松散接觸。襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖之間的不完全接觸狀態(tài)威脅著隧道的運(yùn)行安全。因此，為了研究襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的不完全接觸對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，選擇了隧道的DK553+418～DK553+434段作為研究對(duì)象。該試驗(yàn)段圍巖為軟硬夾層，巖體比較完整；混凝土襯砌的抗壓強(qiáng)度為30 MPa；一級(jí)襯砌的厚度為0.15 m，二級(jí)襯砌的厚度為0.5 m。

2 隧道襯砌后密實(shí)度不足的影響

2.1 內(nèi)力變化

為探討松散區(qū)密實(shí)度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，采用數(shù)值模擬方案。襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律是隨著松散區(qū)的密實(shí)度從0增加到100%進(jìn)行模擬的。當(dāng)密實(shí)度為0時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)不與巖體后部接觸；當(dāng)密實(shí)度為100%時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖密集接觸。

如圖2所示為內(nèi)力隨襯砌后松散區(qū)域的密實(shí)度而變化情況。為了突出變化趨勢(shì)，計(jì)算了密集接觸狀態(tài)的內(nèi)力與內(nèi)力之比。提取了襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力，如圖2（a）所示。在隧道拱頂處，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力最大減少約60%。隨著松散區(qū)域密實(shí)度的增加，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力趨向于襯砌后緊密接觸狀態(tài)的內(nèi)力。當(dāng)密實(shí)度＞70%時(shí)，內(nèi)力最大值為2.5 kPa。同時(shí)，提取了襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩，如圖2（b）所示。隨著密實(shí)度的增加，拱頂和拱腰處襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩變化最明顯。隨著松散區(qū)域的密實(shí)度降低，松散區(qū)域內(nèi)部空隙增加，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸狀態(tài)逐漸接近非接觸狀態(tài)（V60D）。而且，在開(kāi)挖后，由于隧道疏密程度的增大，拱頂?shù)膬?nèi)襯結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生外彎，并且會(huì)逐步變薄，而隧道拱腋處襯砌結(jié)構(gòu)向內(nèi)彎曲并增加。當(dāng)密實(shí)度＜70%后，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂處的彎矩相對(duì)于密集接觸狀態(tài)增加了約29倍，襯砌結(jié)構(gòu)拱腰處的彎矩增加了約2倍。

如圖3所示為沿襯砌結(jié)構(gòu)縱向平面的內(nèi)力隨松散區(qū)域密實(shí)度的變化情況。軸向力的變化如下頁(yè)圖3（a）所示。松散區(qū)域的密實(shí)度越大，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化越小。拱頂處的襯砌結(jié)構(gòu)向內(nèi)彎曲，而松散區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)則隨著密實(shí)度的降低而上移到松散區(qū)域的內(nèi)部。因此，在松散區(qū)域范圍內(nèi)拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力明顯下降。然而，松散區(qū)域外的襯砌結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化，只有在距離松散區(qū)域邊緣約4 m處，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力才略有增加。彎矩的變化如圖3（b）所示。與襯砌后面的密集接觸狀態(tài)相比，彎矩的方向沒(méi)有改變。由于襯砌結(jié)構(gòu)向外彎曲而產(chǎn)生的負(fù)彎矩隨著松散區(qū)域內(nèi)密實(shí)度的降低而增加，松散區(qū)域?qū)澗刈兓挠绊懛秶s為3 m。

2.2 接觸壓力的變化

襯砌結(jié)構(gòu)和周圍巖石之間的接觸壓力隨著襯砌后松散區(qū)域密實(shí)度的變化而變化，如圖4所示。如圖4（a）所示為沿隧道軸線的接觸壓力的分布。當(dāng)襯砌后松散區(qū)域的密實(shí)度在80%～90%時(shí)，由于存在小的空隙，接觸壓力分布不均勻。當(dāng)密實(shí)度逐漸降低時(shí)，松散區(qū)域內(nèi)的空隙逐漸相互連接，最后形成一個(gè)空洞，這使襯砌結(jié)構(gòu)與周圍巖石不接觸，且進(jìn)一步導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)后面的松散區(qū)域周圍的接觸壓力非線性增加，最大增幅為26%；當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)與巖石非線性接觸后，接觸壓力達(dá)到最大。圖4（b）所示為最大接觸壓力與密實(shí)度之間的關(guān)系。在松散區(qū)周圍3 m范圍內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)的接觸壓力與密實(shí)接觸狀態(tài)相比增加了近50%，而在松散區(qū)內(nèi)部，隨著密實(shí)度的降低，接觸壓力趨向于0。同樣，當(dāng)密實(shí)度＜70%時(shí)，與密實(shí)度＞70%相比，接觸壓力增加了近30%。

3 松動(dòng)接觸面積的影響

3.1 內(nèi)力變化

為了探討松散接觸面積變化對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，在隧道拱頂后面設(shè)置了一個(gè)密實(shí)度為50%的松散區(qū)域，分別為V15D、V30D、V45D、V60D和V80D。襯砌結(jié)構(gòu)后面松散接觸區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度成比例增加，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化如圖5所示。其中，襯砌結(jié)構(gòu)軸向力的變化如圖5（a）所示，隨著松散接觸面積的增加，拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力受到拉伸并逐漸減小，比密集接觸狀態(tài)小約80%。襯砌結(jié)構(gòu)彎矩的變化如圖5（b）所示，與密集接觸狀態(tài)相比，隨著松散接觸區(qū)域的增加，松散接觸區(qū)域內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)彎矩的最大變化是在拱頂和隧道拱腰處，其他位置的變化較小。與襯砌后方空隙的情況類似，拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩向外彎曲，并隨著松散接觸面積的增加而顯著增加。當(dāng)隧道拱腋處襯砌結(jié)構(gòu)后面的松散接觸面積＞25 m2時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩方向發(fā)生變化，襯砌結(jié)構(gòu)從向外彎曲變?yōu)橄騼?nèi)彎曲。

3.2 變形

圖6（a）所示為荷載（100 kPa）下隧道拱頂沿線襯砌結(jié)構(gòu)的變形示意圖。松散區(qū)兩側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨強(qiáng)度的增加而增加；在松軟地區(qū)，因其巖體的受力不如兩邊的巖體，故松散部位的位移較少。AP90條件下，巖體的強(qiáng)度明顯下降，而疏松部位則趨于無(wú)接觸。在松動(dòng)區(qū)的兩端，由于受力的影響，其變形幅度增大。從圖6（b）中可以看出，在混凝土拱橋的受力不足比＞50%時(shí)，拱頂豎直變形坡度增大，對(duì)應(yīng)的位移量增大，最大變形量達(dá)到1 255 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

襯砌后松散接觸區(qū)強(qiáng)度不足對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響主要集中在結(jié)構(gòu)的松散接觸區(qū)域內(nèi)。襯砌后的回填灌漿強(qiáng)度應(yīng)在圍巖強(qiáng)度的50%以上，否則將對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全造成極大的危害，特別是當(dāng)松動(dòng)區(qū)范圍增大，隧道襯砌逐漸被包圍時(shí)。因此，應(yīng)保證襯砌后面回填灌漿的強(qiáng)度，避免松散的接觸區(qū)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并相互連接。

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收稿日期：2023-07-20