支護(hù)局部厚度不足對公路隧道運(yùn)營耐久性的影響分析

中圖分類號：U455.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.051文章編號：1673-4874（2025）04-0182-04

0 引言

由于多數(shù)公路隧道建設(shè)區(qū)域處于地形地貌復(fù)雜多變的環(huán)境，施工質(zhì)量難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)把控，即便有著先進(jìn)預(yù)測及檢測技術(shù)，但難免形成各式各樣質(zhì)量缺陷與病害，若施工階段并未得到優(yōu)化改善，該疑難雜癥將遺留給運(yùn)營使用階段，除圍巖本身外，支護(hù)結(jié)構(gòu)存在噴混厚度不足、裂縫、滲水等缺陷病害[1-2]。地質(zhì)雷達(dá)無損檢測是隧道病害探測的主要手段，經(jīng)檢測統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)支護(hù)厚度不足原因主要為施工超欠挖、噴混誤差、防水與初支見脫空、侵蝕作用、養(yǎng)護(hù)不規(guī)范等，客觀與主觀原因造成支護(hù)受力有效厚度減小，降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、慣性矩、承載能力，嚴(yán)重威脅隧道運(yùn)營使用安全性與耐久性3。若初支、防水、二襯之間未接觸緊密，支護(hù)厚度不足情況下圍巖會釋放較多壓力，兩種效應(yīng)互相影響易造成支護(hù)開裂，迅速降低隧道使用耐久性[4]。

現(xiàn)階段對二襯單處或組合缺陷的隧道安全性研究較多，分析手段主要為數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場檢測，而數(shù)值分析法中多采用荷載結(jié)構(gòu)法而較少采取地層結(jié)構(gòu)法[5-7]。不同類型的公路隧道有各自設(shè)計使用年限，其與運(yùn)營使用耐久性關(guān)聯(lián)密切，隧道建設(shè)過程中應(yīng)重視耐久性設(shè)計，考慮到支護(hù)碳化、裂化等自然客觀影響因素，建立日常檢查、特殊檢查等機(jī)制，嚴(yán)格把控隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)而達(dá)到提高運(yùn)營耐久性的目的[8-9]。鑒于既往研究，支護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷病害多發(fā)于拱頂、拱腰等處，以往多以二襯厚度不足進(jìn)行分析，若初支、二襯間存在較大空隙，在滲水、熱脹冷縮、不均勻沉降等因素影響下，初支、二襯的病害是負(fù)反饋的，是時間效應(yīng)影響下，初支會于二襯厚度局部不足部位發(fā)生缺陷病害，本文以某公路隧道初支、二襯均存在局部厚度不足作為分析背景，以數(shù)值模擬手段分析二襯受力特征及安全系數(shù)，對隧道運(yùn)營使用耐久性展開研究。

1 隧道支護(hù)病害統(tǒng)計

利用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)探測出該公路隧道存在較多處支護(hù)局部厚度不足的缺陷病害，據(jù)統(tǒng)計分析出初支、二襯厚度合格率從小到大排序?yàn)楣绊? 拱腰，部分區(qū)段支護(hù)局部厚度不足基本呈對稱分布情況，缺陷病害具體分布圖見圖1。隧道檢測區(qū)段平均埋深35. 6m ，設(shè)計輪廓線約為寬11m、寬9m，初支 （25） 、二襯（C30）設(shè)計厚度分別為25cm、50cm。初支、二襯局部厚度不足主要集中于拱頂、拱腰兩處，且初支、二襯缺陷幾乎出現(xiàn)于同一位置，局部厚度不足平均范圍為1.5m且近似橢圓形，同一位置的初期支護(hù)與二襯缺陷厚度均為1cm。

2地層結(jié)構(gòu)法數(shù)值模型

荷載結(jié)構(gòu)數(shù)值模型以單獨(dú)初支、單獨(dú)二襯、統(tǒng)一初支及二襯等類型為主，卻鮮少利用地層結(jié)構(gòu)法對支護(hù)局部厚度不足進(jìn)行探究。采用二維平面理想彈塑性模型，利用FLAC3D軟件構(gòu)建如表1工況的地層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，為消除邊界影響效應(yīng)確定模型尺寸為長 80m 高80m，將左、右、下邊界設(shè)置為法向位移約束；圍巖、初支、二襯均為實(shí)體單元；初支、二襯支護(hù)厚度不足分布范圍恒定為1.5m ；巖土體符合 M-C 屈服準(zhǔn)則，支護(hù)結(jié)構(gòu)為彈性本構(gòu)。數(shù)值模型初支、二襯局部厚度不足缺陷細(xì)節(jié)見圖2（僅列出拱頂缺陷），巖土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)取值見表2。

表1支護(hù)局部厚度不足工況表

表2巖土體與支護(hù)物理力學(xué)取值

圖1支護(hù)局部厚度不足缺陷分布特征示意圖

圖2初支、二襯局部厚度不足細(xì)節(jié)圖（以拱頂為例）

3局部厚度不足對二襯內(nèi)力的影響

實(shí)體單元內(nèi)力并不能直接導(dǎo)出，需利用支護(hù)內(nèi)外表面應(yīng)變 ε_A，ε_A 按公式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算，得出二襯軸力 N 以及彎矩 M 結(jié)果[10]。基于初支、二襯均存在局部厚度不足的背景下，對比正常支護(hù)、頂部缺陷、左右拱腰缺陷、拱頂 + 左右拱腰缺陷等4種工況的二襯內(nèi)力時態(tài)分布特征。在數(shù)值分析中，以計算時間步模擬時間效應(yīng)，應(yīng)用于二襯內(nèi)力時態(tài)變化規(guī)律分析中去。

式中： b 單元長度/m；h 一支護(hù)厚度/m。

3.1局部厚度不足對二襯軸力的影響

提取不同工況的二襯內(nèi)外邊緣應(yīng)變數(shù)據(jù)，代入公式（1）進(jìn)行計算得出對應(yīng)軸力，軸力均為正值，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)均受壓。借助時間步分析得出二襯軸力時態(tài)分布規(guī)律，二襯結(jié)構(gòu)各部位軸力分布規(guī)律見圖3。

從圖3各種工況的二襯軸力時態(tài)分布特征可知，二襯軸力隨時間增加而逐漸增大，是因?yàn)樗淼乐ёo(hù)會隨時間發(fā)展產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致二襯承載力降低，圍巖荷載在運(yùn)營期間會進(jìn)一步釋放，使得二襯軸力呈增長趨勢；對比圖3（a）、圖3（b）發(fā)現(xiàn)，由于拱頂支護(hù)局部厚度不足，會引起二襯拱頂軸力出現(xiàn)大幅度降低，但拱頂缺陷對其余厚度正常部位的軸力無明顯影響；結(jié)合圖3（a）、圖3（c來看，若支護(hù)的左右拱腰處出現(xiàn)厚度不足缺陷，拱腰處二襯軸力明顯降低，而對其余部位軸力影響較小；結(jié)合前面觀點(diǎn)，再對圖3（d）進(jìn)行分析，再次驗(yàn)證支護(hù)局部厚度不足將引起缺陷部位二襯軸力出現(xiàn)顯著降低，而對未出現(xiàn)缺陷部位的軸力影響相對較弱。

圖3隧道二襯軸力分布規(guī)律圖

3.2局部厚度不足對二襯彎矩的影響

將二襯內(nèi)外邊緣應(yīng)變代入公式（1計算得出相應(yīng)工況彎矩，各部位彎矩取絕對值進(jìn)行分析。隨著時間變化，二襯彎矩分布特征會產(chǎn)生變化，二襯各部位彎矩分布規(guī)律見圖4。

分析圖4中各種工況的二襯彎矩時態(tài)分布特征得出，不同工況的二襯各部位彎矩均隨計算時間增加呈逐漸增大趨勢，表明隨運(yùn)營時間的增加，周邊圍巖荷載進(jìn)一步釋放且與支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)接觸，導(dǎo)致二襯接觸內(nèi)力增大；將圖4（a）、圖4（b）進(jìn)行對比分析，拱頂支護(hù)局部厚度不足導(dǎo)致二襯缺陷處彎矩值出現(xiàn)一定程度減小，而其余支力、彎矩分布規(guī)律，按素混凝土截面強(qiáng)度進(jìn)行計算，首先確定出大小偏心，再計算出極限抗壓、抗拉承載力，最后得出支護(hù)截面安全系數(shù) K^[11] 。抗拉、抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)分別取3.6、2.4，圖5為不同工況的拱頂、拱腰、拱腳處二襯安全系數(shù)分布規(guī)律。

圖5隧道二襯安全系數(shù)變化規(guī)律圖

圖4隧道二襯彎矩分布規(guī)律圖

護(hù)厚度正常部位的彎矩?zé)o明顯變化；從圖4（a）、圖4（c）分析的出，支護(hù)左右拱腰出現(xiàn)局部厚度不足現(xiàn)象，拱腰處二襯彎矩顯著減小，減小程度明顯快于其余部位；圖4（d）近似圖4（b）、圖4（c）的疊加，拱頂 + 左右拱腰處支護(hù)局部厚度不足造成了缺陷部位的二襯彎矩發(fā)生明顯變化，而遠(yuǎn)離缺陷處的其余二襯彎矩?zé)o明顯變化，表明缺陷對支護(hù)厚度正常部位的彎矩影響程度較小。

4局部厚度不足對二襯運(yùn)營耐久性的影響

由圖5可知，各種工況的拱頂、拱腰、拱腳處二襯安全系數(shù)隨時間發(fā)展呈逐漸減小趨勢。分析圖5（a）得出，最終拱頂安全性優(yōu)劣排序?yàn)椋赫Ｖёo(hù) gt; 左右拱腰缺陷gt;拱頂缺陷 gt; 拱頂 + 左右拱腰缺陷，拱頂缺陷對拱頂安全性影響較大，以強(qiáng)度安全系數(shù)限制值確定出各種工況拱頂安全性滿足要求，最不利工況的拱頂安全系數(shù)接近于7.5，安全儲備有一定富裕，能滿足短期運(yùn)營耐久性的要求；由圖5（b）可看出，拱腰缺陷工況的拱腰安全系數(shù)明顯小于其余工況，最不利工況為拱頂 + 左右拱腰缺陷，該工況下的安全系數(shù)約等于6.0，從安全系數(shù)界限值判定出各工況滿足短期耐久性要求，但相對于正常支護(hù)，局部支護(hù)厚度的二襯安全系數(shù)明顯下降；基于已有研究，受剪力影響作用，圖5（c）中的拱腳安全系數(shù)在同一工況下為最低值，對比單一缺陷工況，多缺陷工況對拱腳安全系數(shù)影響更明顯，最不利工況的拱腳安全系數(shù)在4.7左右，對于耐久性而言，安全性富裕較少。

5 結(jié)語

對某公路隧道初支及二襯同一位置存在厚度不足情況進(jìn)行分析，建立正常支護(hù)、頂部缺陷、左右拱腰缺陷、拱頂-左右拱腰缺陷等地層結(jié)構(gòu)模型，在不同缺陷組合工況下，劃分時間步對二襯受力狀態(tài)、安全性展開研究，以安全系數(shù)對運(yùn)營耐久性進(jìn)行評價，得出下列論點(diǎn)：

（1）由于支護(hù)（初支、二襯）局部厚度不足，導(dǎo)致缺陷部位的二襯軸力、彎矩、安全系數(shù)出現(xiàn)明顯減小趨勢；隧道運(yùn)營耐久性隨使用時間的延長呈現(xiàn)下降趨勢，下降趨勢最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）支護(hù)（初支、二襯）局部厚度不足對缺陷處二襯內(nèi)力、安全性、耐久性的影響遠(yuǎn)大于支護(hù)厚度正常處，越遠(yuǎn)離缺陷處的二襯耐久性越好。

（3）拱頂缺陷會顯著影響拱頂安全性，而拱腰缺陷則明顯降低拱腰安全系數(shù)；若拱頂與左右拱腰同時存在缺陷，結(jié)構(gòu)安全性能將進(jìn)一步惡化。耐久性優(yōu)劣排序?yàn)椋赫Ｖёo(hù) gt; 左右拱腰缺陷 gt; 拱頂缺陷 gt; 拱頂 + 左右拱腰缺陷。盡管缺陷導(dǎo)致拱頂和拱腰安全性下降，但仍基本滿足運(yùn)營要求，且不同工況下拱腳始終是耐久性薄弱部位。

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