隧道襯砌病害對結構安全性影響機理研究

楊朝帥,崔 臻,牛富生,王百泉

(1.中鐵隧道局集團有限公司,廣東 廣州 511458;2.廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室,廣東 廣州 511458;3.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司,廣東 廣州 511458;4.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071)

隧道工程技術發展對完善國家交通體系、發展國民經濟有重大作用。截至目前,隨著我國隧道工程向埋深更深、距離更長、斷面更大的方向發展,面臨的地質環境也越來越復雜,目前的施工技術難度、裝備與材料的適用性也面臨巨大挑戰[1-3]。隨著各國隧道建設的迅猛發展,隧道病害問題作為世界性難題日益突出。據統計,已運營隧道普遍存在各種形式的結構病害,如襯砌開裂、滲漏水、大變形、襯砌背后脫空、鋼筋銹蝕等,這些病害問題對隧道安全運營是一種潛在的隱患[4-6]。因此,未來很長一段時間內,我國的隧道工程技術的發展將由以往的大規模建設向今后的病害治理修復轉變[7-8]。因此,對隧道工程結構的開裂、滲漏水、背后脫空等健康狀況進行分析和量化評價,具有一定的研究意義。

目前,很多國家都建立了隧道健康狀態評價體系,但這些評價體系更多是定性判斷,定量化健康評價較少[9-10]。另外,在隧道健康狀態方面,對很多工程進行了病害數據的現場測試,但數據的離散性較大,應用范圍較窄,同時與實測數據對應的隧道病害安全影響機理不明確,因此當前的隧道健康狀態評價體系具有一定的局限性。為了評價隧道病害對結構安全的影響機制,楊惠林[11]結合祁家大山隧道病害檢測數據,建立了數值計算模型,分析了襯砌結構承載力的損失程度,并提出了合理的病害治理方案;王勇[12]利用有限元計算軟件,研究了平面狀態隧道開挖支護過程中不同襯砌厚度工況下的圍巖荷載,并對二次襯砌混凝土結構的承載力進行了校核。聶智平等[13]根據某隧道漏水和裂縫的調查結果,基于荷載-結構方法建立隧道襯砌的數值模型,并對最薄弱段的承載力進行力學分析。劉庭金等[14]采用荷載-結構法,通過監測隧道襯砌壓力校核襯砌壓力,確定了襯砌結構的穩定性。劉永華[15]采用荷載-結構法建立隧道拱部襯砌背后空洞、襯砌截面厚度、襯砌開裂等病害模型,并結合實測數據驗證了模型的準確性。對于隧道襯砌結構開裂病害,張玉軍等[16]認為裂縫深度因素對結構穩定性影響較大,而裂縫寬度對結構的穩定性影響較小。

綜上所述,對隧道病害相關研究主要是集中在結構穩定性安全方面,包括數值模擬和病害檢測監測等,但以往的研究模型未考慮病害的影響機理,因此模型的可靠性不高,計算誤差也較大。因此,如何建立包含病害影響機理的數值模型,對研究成果可靠性至關重要。本文建立地層-結構計算模型,引入了復合襯砌隧道安全系數的計算方法,在此基礎上分別討論襯砌背后空洞、襯砌開裂、滲水這三種典型病害的作用機理及影響規律,對結構安全系數與病害特征指標的敏感性進行分析,以期研究隧道襯砌開裂、滲水、襯砌背后空洞三種典型病害的作用機理與影響規律,剖析病害對結構安全的影響程度和影響范圍。

1 隧道襯砌病害的模擬原理

1.1 分析模型

本研究中采用國標《工程巖體分類標準》(GB/T 50218—2014)推薦的巖體力學參數,分別見表1、表2。

表1 分析用的巖體力學參數

表2 復合襯砌支護設計參數

當考慮二維分析計算時,在Phase2 V8.0 軟件中分別建立Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖中雙線隧道的典型模型,其中數值模型尺寸取大于三倍洞徑,豎直向與水平向尺寸均為100 m,模型四周均取為三向約束邊界。見圖1。分別考慮Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖條件下的典型噴錨復合襯砌支護,支護結構的支護時機考慮為圍巖荷載釋放率為80%時。模擬過程具體如下:

圖1 Ⅳ類圍巖雙線隧道計算模型

(1) 確定整個模型的區域和邊界;(2) 設置圍巖地層參數;(3) 根據隧道開挖影響范圍細分有限元網格,并定義初始地應力;(4) 添加初期支護結構單元,同時釋放部分圍巖應力;(5) 添加二次襯砌結構單元;(6) 計算至收斂。

1.2 隧道開挖響應

圖2給出了在當前圍巖力學參數條件下,隧道開挖完成后變形云圖,可見,隧道最大開挖變形為0.005 m,發生在隧道仰拱部位;隧道頂拱的沉降變形約為0.004 m。圖3給出了III類圍巖條件下,隧道開挖完成后襯砌結構的軸力、彎矩、剪力圖,可見襯砌結構內力以軸力為主,彎矩與剪力量值均較小,最大軸力量值約為1.28 MN,發生在左右邊墻拱腳部位。

圖3 隧道開挖支護完成后襯砌內力圖

1.3 隧道安全系數計算方法

如上節所示,在計算襯砌結構時,獲取的結果為襯砌上的彎矩、剪力和軸力這三種內力成果。當需要用這三種內力成果對襯砌進行承載力校核時,比較方便和直觀的辦法是利用承載力包絡線圖[17]。當襯砌材料受力狀態點位于承載力包絡線以內,認為襯砌結構是安全的;一旦襯砌材料受力狀態點位于承載力包絡線以外,則認為襯砌結構開裂破壞。

(1) 彎矩-軸力(M-N)安全系數

根據彈性梁理論,有彎矩、軸力與襯砌材料極限正應力關系如下:

(1)

同時約定安全系數定義:

(2)

則通過以上二式可以得到壓縮破壞時的軸力:

(3)

拉伸破壞時的軸力:

(4)

極限彎矩:

(5)

式中:Fs為安全系數,在本報告中采用Fs=1;t為二次襯砌厚度;A為襯砌結構的截面面積;I為襯砌結構慣性矩;σc和σt分別為襯砌結構混凝土的抗拉強度和抗壓強度。

(2) 剪力-軸力(Q-N)安全系數

在深梁理論中,剪力Q作用下,梁中最大剪應力出現在中性軸部位,且量值約如下:

(6)

假定在最大剪應力和最大正應力條件下,梁中平面上應力狀態如下式:

(7)

同時約定安全系數定義:

(8)

則通過以上三式可以得到壓縮破壞時的軸力:

(9)

拉伸破壞時的軸力:

(10)

極限剪力:

(11)

根據以上公式,即可分別求得混凝土襯砌的M-N圖與Q-N圖,根據兩圖即可得到襯砌結構的安全系數,隧道的最小安全系數取兩圖中的較小值即可。

1.4 隧道襯砌結構病害的模擬

1.4.1 隧道襯砌開裂的模擬

在本研究中,為了考慮隧道結構不同部位開裂對結構安全的影響機理,分別考慮了頂拱、邊墻、仰拱三個部位的開裂情況。

在對裂縫進行模擬時,為了簡化起見,將裂縫簡化為圓弧形,如圖4。即假設開裂部位產生一個半徑為R的凹坑,進一步將該開裂部位簡化為一個寬度為2R,深度為R的矩形缺陷,如此實現襯砌開裂在數值軟件中的模擬。

圖4 襯砌結構開裂部位的模擬原理

1.4.2 隧道襯砌滲水的模擬

當需要模擬隧道襯砌隧道滲水的危害時,將基于水-力耦合數值模擬,采用無滲流模式模擬靜水壓作用下隧道襯砌的滲水,在這種模式下,可在節點上設置孔隙水壓力,只是孔隙水壓是保持不變的,巖土體的屈服判斷由有效應力決定。

在設置滲水裂縫時,采用了與上一段中相同的裂縫模擬方法與設置部位。

1.4.3 隧道襯砌后空洞的模擬

在對裂縫進行模擬時,為了簡化起見,將裂縫簡化為巖體中的圓弧形空洞,如圖5,并直接在數值軟件中對空洞進行模擬。對于空洞的部位,也采取與上一段中相同的設置部位。

圖5 襯砌后空洞的模擬

2 襯砌開裂對隧道安全性的影響

圖6(a)、圖6(b)給出了Ⅲ類圍巖條件下,頂拱位置開裂,開裂深度R/H=0.5的條件下,襯砌的M-N安全系數、Q-N安全系數,可見襯砌開裂對襯砌安全系數具有不利影響。進一步,圖6(c)為Ⅲ類圍巖條件下,開裂深度R/H=0.5的條件下,頂拱位置下襯砌的最小安全系數。當考慮襯砌開裂之后,頂拱部位安全系數為最低,約4.6左右,仍滿足最小為2的規范要求。

圖6 頂拱部位開裂后襯砌安全系數圖

圖7給出了Ⅲ類圍巖下,襯砌無裂縫與頂拱出現裂縫時,襯砌的最小安全系數對比。可見,裂縫僅影響局部襯砌的安全系數,對襯砌整體安全程度影響不大。因此,當考慮襯砌開裂之后,頂拱部位安全系數為最低,約4.6左右,仍滿足最小為2的規范要求。

圖7 頂拱有/無開裂時襯砌最小安全系數圖

圖8給出了Ⅲ類圍巖條件下裂縫位置對襯砌安全系數的影響。可見,仰拱部位安全系數降低最多,但由于頂拱部位安全系數原本量值較小,因此最終頂拱部位安全系數最低,約為4.6左右。

圖8 裂縫位置對襯砌最小安全系數的影響

圖9給出了Ⅲ類圍巖條件下,開裂深度R/H=0.3、0.5、0.7條件下,頂拱部位開裂后襯砌的安全系數。可見,隨著開裂深度的增加,安全系數逐漸減小。為了更加表達清楚,進一步的,圖10為襯砌頂拱最小安全系數。當開裂深度從0.3增加到0.7倍襯砌厚度時,最小安全系數由7.3降低到2.24。

圖9 裂縫深度對襯砌最小安全系數的影響

圖10 裂縫深度對襯砌頂拱最小安全系數的影響

圖11給出了在Ⅲ類圍巖條件下,不同的裂縫數量對襯砌安全系數的影響。可見,裂縫僅影響局部襯砌的安全系數,對襯砌整體安全程度影響不大。因此,當考慮襯砌開裂之后,頂拱部位安全系數為最低,約4.6左右,仍滿足最小為2的規范要求。

圖11 裂縫數量對襯砌最小安全系數的影響

3 隧道滲水對隧道安全性的影響

圖12給出了Ⅲ類圍巖條件下,開裂深度R/H=0.5、水頭40 m的條件下,隧道頂拱開裂滲水與否對襯砌最小安全系數的影響。可見,考慮水壓時,隧道襯砌整體安全系數均不同程度減小,頂拱部位減小程度最大,由不考慮滲水時的4.6左右,降低到3.96左右。

圖12 襯砌頂拱滲水與否對襯砌最小安全系數的影響

圖13給出了III類圍巖條件下開裂滲水位置對襯砌安全系數的影響。可見,不同部位開裂滲水對襯砌安全系數的影響均局限在較小的范圍內,其中的仰拱部位安全系數降低最多,但由于頂拱部位安全系數原本量值較小,因此最終頂拱部位安全系數最低,約為3.96左右。

圖14給出了III類圍巖條件下不同水頭時襯砌最小安全系數分布情況,考慮的開裂滲水部位為頂拱,可見水壓對襯砌安全系數整體都有降低,當水頭從30 m增加到50 m的時候,最小安全系數減小了0.6左右。

圖14 襯砌滲水水頭對襯砌最小安全系數的影響

4 襯砌后空洞對隧道安全性的影響

圖15給出了Ⅲ類圍巖條件,空洞半徑0.5 m條件下隧道有無襯砌后空洞對襯砌最小安全系數的影響。可見襯砌后空洞對襯砌安全狀態影響范圍較大,在空洞范圍內的襯砌安全系數受到不利影響,在空洞范圍外的襯砌安全系數有所提高。當考慮空洞后,頂拱襯砌安全系數從11.0降低到3.9左右。

圖15 襯砌后有無空洞對襯砌最小安全系數的影響

圖16給出了Ⅲ類圍巖條件下,空洞半徑0.5 m條件下,不同空洞位置下襯砌最小安全系數,可見不同部位的襯砌開裂均對襯砌安全系數具有不利影響。其中,頂拱、仰拱部位安全系數降低最為明顯。由于頂拱部位總體安全系數比仰拱部位小,因此,當考慮襯砌開裂之后,頂拱部位安全系數為最低,約3.9左右,仍滿足最小為2的規范要求。

圖16 襯砌后空洞位置對襯砌最小安全系數的影響

圖17給出了Ⅲ類圍巖條件下,空洞半徑R=0.25 m、0.5 m、1 m條件下,頂拱部位開裂后下襯砌的最小安全系數。可見,隨著空洞深度的增加,安全系數逐漸減小。如圖18可見,當空洞半徑從0.25 m增加到1 m的時候,襯砌頂拱最小安全系數由6.3降低到2.2。

圖17 襯砌后空洞尺寸對襯砌最小安全系數的影響

圖18 襯砌后空洞尺寸對襯砌頂拱最小安全系數的影響

5 結 論

(1) 襯砌開裂時仰拱部位安全系數降低最多,但由于頂拱部位安全系數原本量值較小,因此最終頂拱部位安全系數最低,約為4.6左右;當開裂深度從0.3增加到0.7倍襯砌厚度的時候,最小安全系數由7.3降低到2.24;對于不同的裂縫數量對襯砌安全系數的影響而言,裂縫僅影響局部襯砌的安全系數,對襯砌整體安全程度影響不大。

(2) 考慮滲水時,仰拱部位安全系數降低仍然最多,但由于頂拱部位安全系數原本量值較小,因此最終頂拱部位安全系數最低,約為3.96左右,小于不考慮滲水時的4.6左右;當水頭從30 m增加到50 m的時候,最小安全系數減小了0.6左右。

(3) 考慮襯砌后空洞時,頂拱、仰拱部位安全系數降低最為明顯,仰拱部位安全系數降低最多,但由于頂拱部位安全系數原本量值較小,因此最終頂拱部位安全系數最低,約為3.9左右;空洞尺寸對襯砌安全系數影響顯著,當空洞半徑從0.25 m增加到1 m的時候,最小安全系數由6.3降低到2.2。

本研究尚存在的不足:由于隧道病害特征形式復雜、不確定性較強,因此通過數據模擬對病害進行規則化建模,有一定的誤差,但不影響對計算結果規律的分析,不同病害之間的相互影響還需要今后更深入的研究。