高速公路隧道襯砌背后空洞影響及安全性分析

何小波

摘要 為了保證公路隧道建設水平，文章總結了襯砌背后空洞產生的原因，并以某山區公路隧道為研究對象，利用有限元軟件建立計算模型，分析空洞尺寸和空洞位置對圍巖應力、襯砌病害的不利影響。同時，將隧道襯砌空洞風險劃分為Ⅰ～Ⅳ四個等級，并結合風險等級制定了空洞處治措施，研究成果可為類似項目提供借鑒。

關鍵詞 公路隧道；襯砌空洞；仿真模型；圍巖應力；安全控制

中圖分類號 U457.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0099-03

0 引言

近年來，高速公路建設里程增加，隧道結構的規模也不斷擴大，對建設質量要求也更加嚴格。空洞是公路隧道襯砌最常見的一種病害，其最大特點就是隱蔽性好。如果不能及時發現空洞病害、準確分析空洞影響，可能會導致隧道在施工和運營期間出現襯砌開裂、局部坍塌等病害，甚至會造成人員傷亡。因此，進一步研究高速公路隧道襯砌背后空洞影響及安全性具有重要意義。

1 隧道襯砌背后空洞形成原因和不利影響

1.1 襯砌空洞形成原因

1.1.1 初期支護背后空洞原因

公路隧道開挖多采用“新奧法”（新奧地利施工方法），要求爆破開挖形成的掌子面輪廓線盡量光滑圓潤，與設計輪廓線基本保持一致。但是實際開挖時，往往會因工程地質差、炮眼布置偏差、爆破人員技術差等原因而產生超挖。如果圍巖超挖采用粒徑較大，空隙率大的材料回填，將會使初期支護背后形成空洞。

對于使用錨噴支護體系的公路隧道，如果噴射混凝土的配合比不合理，在硬化期間會出現過大收縮，使得噴射混凝土與圍巖表面產生空洞。同時，當錨桿數量或長度不足時，錨桿與隧道圍巖形成的懸吊效應、組合梁效應難以充分發揮。此時，錨桿插入節理裂隙發育，巖石破碎的圍巖容易產生空洞。

公路隧道多采用“以排為主，排堵結合”的防排水原則。如果隧道防排水設施設計不合理，初期支護背后受地下水沖刷后會帶走部分泥沙。同時，在地下水壓力作用下，初步成型的噴射混凝土會產生變形。上述兩種情況都容易導致隧道初期支護背后產生空洞。

1.1.2 二次襯砌背后空洞原因

隧道二次襯砌背后出現空洞主要受兩大因素的影響[1]：一是初期支護厚度不足。當隧道初期支護噴射混凝土厚度不足時，混凝土無法完全充填圍巖開挖引起的凹坑，難以與拱架齊平。此時噴射的二次襯砌難以和初期支護緊密貼合，二次襯砌背后會出現空洞。二是材料性能差。當二次襯砌混凝土的配合比不合理，在硬化期間會出現過大收縮，使得二次襯砌厚度不足。如果混凝土收縮嚴重，二次襯砌背后可能出現大面積空洞。

1.2 隧道結構安全性的影響因素

公路隧道在施工和運營期間可能因空洞產生襯砌開裂、塌方、突涌水等病害，具體病害情況受地質、地應力、地下水等因素影響較大，具體闡述如下[2]：一是地質因素。在地質構造運動作用下，巖體中會產生各種節理、裂隙等結構面，影響巖體整體性和強度。如果結構面傾角較大，且其與軟巖淺埋隧道的軸線夾角較小，圍巖安全性較差。反之，結構面走向對隧道安全性影響不大。二是地應力。公路隧道經開挖后，地層應力會重新分布。當二次應力大于圍巖強度，會使圍巖變形過大，從而導致隧道失穩。隧道失穩在洞頂表現為巖塊掉落或塌方，在邊墻表現為凈空收縮，在洞底表現為起鼓。三是地下水。在地下水長期浸泡下，初期支護和二次襯砌的強度和耐久性會降低，從而增加了支護體系破壞的可能，降低了隧道的安全性。尤其是具有膨脹性的軟巖隧道，圍巖會吸水膨脹，安全性更差。

1.3 襯砌空洞對隧道結構的不利影響

如果空洞出現早期未被發現并處理，可能對隧道結構安全產生重大影響。經分析，襯砌空洞對隧道結構的不利影響主要體現在：在公路隧道支護體系中，圍巖不僅是作用在支護結構上的荷載，還具有承載作用，需與隧道襯砌緊密貼合。在隧道襯砌背后出現空洞后，襯砌與圍巖之間處于“脫空”狀態，空洞范圍內的襯砌不再承受圍巖壓力，并使襯砌背后圍巖壓力重新分布，產生應力集中問題。而在設計階段，隧道襯砌是按圍巖完整計算的，可能會使襯砌等級不足。在圍巖壓力作用下，襯砌容易出現開裂、掉皮等問題。

當襯砌背后空洞處于地下水發育路段時，空洞會成為地下水存儲空間，對襯砌混凝土、鋼筋、鋼拱架不斷浸蝕，降低初期支護或二次襯砌的承載力，嚴重時會導致隧道局部坍塌。

2 隧道襯砌背后空洞仿真模擬

2.1 工程概況

2.1.1 設計參數

研究對象為某山區高速公路隧道，屬中隧道，其左線長950 m（起訖樁號ZK10+100～ZK11+050），右線長955 m（起訖樁號YK10+100～YK11+055）。隧道開挖擬采用CRD法（中隔墻法），洞身襯砌為復合式襯砌，即初支和二襯聯合使用，并設置防、排水夾層，洞門為端墻式，最大凈高6 m，最大凈寬10.5 m，側墻高度為5 m。

2.1.2 建設條件

由勘察資料可知，隧道進、出口段位于斜坡上，斜坡自然坡度約25 °～35 °，工程地質條件較差，曾在連續降雨下出現滑坡。隧道場地地貌屬構造剝蝕低山地貌，最大埋深為105 m，洞身圍巖以泥巖夾砂巖為主，節理裂隙較發育，無貫穿性構造，圍巖單軸飽和抗壓強度＜30 MPa，屬軟巖，圍巖等級均為Ⅴ級。同時，隧道地下水以孔隙潛水、基巖裂隙水為主，隧道施工時的出水狀態為點滴狀，局部為淋雨狀，要注意疏導。

2.2 仿真模型建立

2.2.1 仿真模型

公路隧道開挖只對其周圍一定范圍的圍巖受力產生影響，當隧道中線到計算模型邊界的距離達到隧道直徑的3倍時，作用在支護結構上的圍巖應力基本可忽略。因此，在建立隧道計算模型時，隧道結構尺寸按設計尺寸建立，隧道開挖輪廓線到左邊界和右邊界取3倍洞徑、到上邊界距離按實際標高確定、到下邊界取2倍洞徑。

為了保證計算效率和計算精確度，隧道圍巖和襯砌采用實體單元（六面體）模擬，對隧道周邊1倍洞徑及模型四角的網格進行加密處理，尺寸取0.5 m，其他位置網格尺寸取1.5 m，共劃分出1 105個單元和1 210個節點，如圖1所示[3]。

2.2.2 邊界條件

隧道圍巖屬于彈塑性體，可采用摩爾-庫倫準則模擬其應力應變關系，見式（1）[4]。

τn=σntanφ+c （1）

式中，τn——圍巖剪切力（kPa）；σn——圍巖正應力（kPa）；φ——圍巖內摩擦角（°）；c——圍巖黏聚力（kPa）；

對于仿真模型，模型頂為自由邊界，不需約束，只需約束左、右、前、后、底邊界。其中，左、右邊界約束水平位移，前、后邊界約束縱向位移及底邊界完全約束。

2.2.3 計算參數

統計了隧道圍巖和襯砌的物理力學參數，見表1。

初期支護中的鋼拱架采用“等效法”模擬，將其強度等效成噴射混凝土中考慮，可按式（2）計算[5]：

（2）

式中，E——折算后初期支護彈性模量（MPa）；E0——混凝土彈性模量（MPa）；Eg——鋼拱架彈性模量（MPa）；Ag——鋼拱架截面面積（mm2）；Ac——噴射混凝土截面面積（mm2）。

2.3 空洞對隧道圍和巖襯砌的影響

2.3.1 空洞尺寸的影響

假設該隧道拱頂襯砌背后存在圓形空洞，利用有限元軟件計算了圍巖在不同空洞半徑下的最大主應力，如圖2所示。

隧道拱頂空洞越大，圍巖最大主應力越大。當空洞尺寸從0.05 m增加至1 m，隧道圍巖最大主應力分別增加了0.04 MPa、0.09 MPa、0.14 MPa、0.19 MPa、0.25 MPa、0.31 MPa，增加幅度分別為11.3%、22.5%、31.1%、38%、44.6%、50%。出現這一現象的主要原因在于空洞的存在改變了圍巖應力狀態，出現應力集中現象。空洞尺寸越大，圍巖應力集中越明顯。隨后，用一元一次方程擬合了空洞半徑x和圍巖最大主應力y的關系，擬合方程為y=0.33x+0.31，用該擬合方程可預測任意空洞半徑對應的圍巖最大主應力，為施工安全監控提供理論依據。

2.3.2 空洞位置的影響

在空洞尺寸不變的條件下，利用有限元軟件計算了不同位置空洞對襯砌的影響：當空洞在拱頂位置時，襯砌容易產生縱向裂縫，且由襯砌內側先開裂；當空洞在拱肩位置時，只有空洞邊緣處襯砌應力增大，對襯砌危害較小；當空洞在邊墻位置時，襯砌內側和外側主應力大幅增加，襯砌容易出現爆裂，威脅施工安全。

3 襯砌背后存在空洞的隧道安全控制

3.1 襯砌空洞風險等級劃分

由上可知，公路隧道襯砌背后空洞形成機理復雜，影響因素多，有必要對襯砌空洞風險等級進行劃分，并作為控制處治措施選擇的依據。該文結合空洞尺寸、襯砌滲漏水、襯砌承載力、開裂情況、襯砌開裂情況等因素將襯砌空洞風險劃分為Ⅰ～Ⅳ四個等級，不同等級的具體劃分標準見表2。

3.2 襯砌空洞安全控制措施

在實際項目中，應對隧道襯砌背后空洞情況進行充分調查，結合表2劃分標準將空洞病害劃分不同風險等級，并選擇相應處理措施。該文總結了常見隧道空洞病害類型、風險等級及相應的控制措施等，見表3。

4 結論

該文分析了公路隧道襯砌背后空洞的產生原因、空洞尺寸和空洞位置對圍巖襯砌的具體影響，并提出了襯砌空洞的風險、安全控制措施等，得到以下結論：

（1）公路隧道的初期支護和二次襯砌背后均有可能出現空洞，主要受隧道開挖、超挖回填、噴射混凝土、錨桿、防排水等因素的影響。

（2）隧道有限元計算模型不宜過大或過小，網格尺寸劃分要綜合考慮計算效率和計算精度，并合理設置邊界條件。

（3）隧道襯砌背后空洞尺寸越大，圍巖應力集中問題越明顯，最大主應力越大，且空洞半徑與圍巖最大主應力基本呈線性關系。

（4）隧道襯砌空洞風險可劃分為Ⅰ～Ⅳ四個等級，并結合風險等級采用注漿、錨桿加固、防排水、拆除和更換襯砌等措施。

參考文獻

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