基于仰拱缺陷及膨脹圍巖作用下的運營隧道襯砌安全性評價分析

孫 迪

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隧道襯砌結構的完整性及圍巖壓力是影響襯砌安全的重要因素。仰拱作為隧道結構的重要組成部分,對隧道襯砌結構受力模式及襯砌結構的安全度有著重要的影響[1-2],仰拱結構的缺陷或缺失極大的影響襯砌結構安全性,降低結構安全系數[3],對運營隧道帶來嚴重的安全隱患。吸水后膨脹性圍巖產生膨脹現象,襯砌結構外荷載增大,在北方春融期或雨季,地下水豐富時期,作用效應尤為顯著。外部圍巖壓力的增大與內部襯砌自身結構的不完整,兩種作用相互疊加,進一步加劇了運營隧道結構破損的風險。

運營隧道仰拱作為隱蔽工程,一般采用地質鉆探的方式進行驗證。針對仰拱質量缺陷對隧道結構帶來的影響,國內學者做過相關方面的研究。王生楠[4]分析了Ⅳ級圍巖條件下仰拱對隧道結構安全性影響,指出了隧道在缺失仰拱下可能存在隱患的部位;劉會鋼等[5]探討了隧道仰拱質量問題可能出現的病害特征;朱小明等[6]統計了甘肅地區隧道在仰拱缺陷狀態下的襯砌變形原因。對于膨脹性圍巖對襯砌結構的影響,陳國富[7]通過結構承載力、變形穩定性的角度分析了隧道結構的安全度。趙峰等[8]從設計角度分析了膨脹性圍巖作用及支護手段。

文章以遼寧西部某高速運營隧道為背景,在專項檢測和地質勘察的基礎上,結合隧道出現仰拱缺失及邊墻膨脹性圍巖兩種條件因素下,分析在不同狀態下的襯砌受力狀態及結構安全系數,結合計算結果提出病害處治方案,消除襯砌結構安全隱患。

1 依托工程

1.1 隧道概況

隧道位于長深高速,長度為485m,在檢測過程中發現34～36板右側檢修道結構存在嚴重隆起、變形,檢修道最大隆起高度22.6cm,檢修道底部出現破損脹開,同時35板襯砌右側邊墻存在凈空收斂現象,凈空收斂量13cm,如圖1所示,原設計中,隧道病害區域圍巖級別為Ⅳ級,襯砌及仰拱均采用35cm厚C30素混凝土結構。

圖1 隧道檢修道隆起邊墻收斂

在出現上述病害特征的同時,拱部襯砌存在多條縱向貫通襯砌板塊的裂縫。

1.2 地質鉆探及結果

對病害部位進行豎向及水平鉆芯取樣及室內試驗得出:(1)隧道病害部位未按照設計要求設置仰拱結構;(2)邊墻收斂的部位,墻背存在黏土化閃長玢巖,最大自由膨脹率為56.0,最小膨脹率為50.0,平均值為54.2,綜合判定,黏土化閃長玢巖為弱膨脹土,具有吸水顯著膨脹、軟化,失水極具收縮、開裂的特性。

2 安全性評價分析

根據公路隧道設計規范,對于襯砌結構截面的驗算可采用荷載-結構法進行,通過圍巖參數計算外部圍巖壓力,施加到襯砌結構上,進而計算出襯砌結構單元的軸力和彎矩,最終計算得出結構安全系數,并與設計荷載組合作用下結構強度安全系數進行比較,分析結構薄弱點。

混凝土矩形截面,當偏心距e0≤0.2h時,按照抗壓強度控制承載力,當偏心距e0≥0.2h時,按抗拉強度控制承載力。

混凝土軸心及偏心受壓構件抗壓強度按式(1)進行計算:

KN≤φαRabh

(1)

式中:K為安全系數;N為軸向力(kN);φ為構件縱向彎曲系數;α為軸向力的偏心系數;Ra為混凝土抗壓極限強度;b為截面寬度(m);h為截面厚度(m)。

混凝土偏心受壓構件的抗拉強度按式(2)進行計算:

(2)

式中:R1為混凝土抗拉極限強度;e0為軸向力偏心距,其余參數均與式(1)相同。

本工程襯砌混凝土采用素混凝土結構,按照抗壓強度判定時,安全系數為2.4,按抗拉強度判定時,安全系數為3.6。

3 模型分析

3.1 模型建立

依托工程隧道為三心圓曲墻式斷面,襯砌混凝土強度等級為C30,素混凝土結構,厚度為35cm,病害區域圍巖級別為Ⅳ級。采用Midas GTS建立數值分析模型,通過荷載-結構法對襯砌結構施加荷載。圍巖的物理力學指標及均布壓力,按照規范要求進行取值計算,并考慮圍巖彈性抗力的影響,結構模型如圖2所示。

圖2 結構模型

為分析不同狀態下的圍巖安全系數,結合專項檢測結果,綜合考慮在不同狀態下的襯砌受力狀態,采用四種工況來模擬現場實際情況:

(1)工況一:仰拱狀態+正常荷載;

(2)工況二:無仰拱狀態+正常荷載;

(3)工況三:無仰拱狀態+膨脹壓力荷載;

(4)工況四:仰拱狀態+膨脹壓力荷載。

工況三、四中,膨脹壓力的大小結合現場襯砌變形狀況進行反分析,通過改變襯砌結構側向壓力,使右側墻向內水平位移13cm,進而得出膨脹壓荷載大小。通過圍巖壓力計算,Ⅳ級圍巖正常計算拱腳側向壓力為85kN/m2,反分析后強制位移13cm,所施加的側向荷載為200kN/m2。工況三、四膨脹壓力荷載模擬為拱腳側向壓力200kN/m2。

3.2 結果分析

對四種工況分別進行模擬計算。在Ⅳ級圍巖壓力作用下,工況一襯砌46個單元中,安全系數均能滿足,最大軸力和彎矩出現在拱頂及拱腳部位,拱頂軸力值為-644.5 kN,彎矩為70.0 kN·m,拱腳軸力值為-958.0 kN,彎矩為91.8kN·m。襯砌單元安全系數如圖3所示。

表1 模型參數

圖3 工況一襯砌結構安全系數

此工況下,結構設計能夠滿足要求,并具有一定安全儲備。

工況二作用下,軸力和彎矩極值分別出現在拱頂74單元及右側墻56單元,74單元軸力為-571.3kN,彎矩為129.5kN·m,56單元軸力為-889.4kN,彎矩為491.3kN·m,此種狀態下,46個單元中,37個單元安全系數不滿足設計標準,不同單元的安全系數如圖4所示。

圖4 工況二襯砌結構安全系數

其中74單元按抗拉標準控制,安全系數僅為0.82,56單元按抗拉標準控制,安全系數僅為0.19,嚴重小于設計標準值,在無仰拱狀態下,二襯結構已不能滿足設計安全要求。

通過反分析計算膨脹壓力給圍巖帶來的荷載效應,對于右側膨脹壓力帶來的荷載增大效應,對計算后模型單元軸力和彎矩進行提取,結果如表2所示。

表2 結構單元軸力和彎矩

在結構無仰拱狀態下,膨脹壓力對于結構單元產生的軸力明顯增大,影響范圍為51～73單元,也就是結構中心線的右側部分。而對于彎矩的影響范圍與軸力不同,主要影響范圍為51～66單元,通過對結構角度的測量,影響區域主要集中在拱部圓心與水平方向夾角50°范圍。

對于膨脹壓力所帶來的結構危害更多集中在右拱腰及邊墻范圍,拱部影響較小。對結構安全系數進行計算,在此工況下67～80單元的結構安全系數能夠滿足設計要求,56單元安全系數由0.19降低至0.15,結構安全系數如圖5所示。

圖5 工況三襯砌結構安全系數

工況四作用下,襯砌安全系數均能滿足要求,與工況一對比,在側向壓力增大的加持下,拱部區域61～84單元,彎矩有縮減趨勢,結構整體安全系數在8～10之間,結構安全系數見圖6。同時對拱腳部位的位移進行提取,在無仰拱狀態下的右拱腳水平13cm強制位移,此工況下位移僅為0.12mm。

圖6 工況四襯砌結構安全系數

4 工程應對措施

針對計算結果,從運營隧道安全角度提出相應的工程應對措施,考慮仰拱對結構安全性的影響,應恢復隧道的仰拱結構,針對膨脹壓力所帶來的影響,一是通過注漿等方式消除膨脹壓力,使其處于飽和狀態,吸水后不再膨脹,二是考慮結構已經發生的明顯變形,綜合膨脹壓力影響范圍,對右側50°范圍二襯結構進行拆換,重新澆筑混凝土結構。同時考慮到新舊混凝土的連接及拱部襯砌裂縫問題,在結構拆換施工后,可對整板襯砌粘貼鋼板來提高結構的整體性。

5 結論

結合現場隧道結構出現的病害特征及缺陷情況,采用四種工況分別模擬原設計條件、仰拱缺失條件、外部荷載增大條件及結構恢復條件,分析和判斷仰拱結構缺陷及膨脹壓力對結構帶來的危害。

(1)仰拱結構對于襯砌安全起著至關重要的作用,在無仰拱的狀態下,結構彎矩較大,造成安全系數的不足,仰拱結構在很大程度上削弱了結構受彎效應,提高了結構安全系數。仰拱結構很好的抑制了外荷載作用下的拱腳部位結構變形,降低了結構收斂量。

(2)膨脹壓力所帶來的外荷載增大,影響主要集中在拱腰及右側邊墻范圍,在工程應對措施上,可考慮從消除膨脹壓力及結構處治范圍兩種角度出發。

(3)對于Ⅳ級以上圍巖,應對隧道設置仰拱結構,在滿足結構安全的同時也為隧道后期運營增加安全儲備。