某隧道隧底填充結構裂損差異分析

汪旵生，盧洪強，鄭 波

(1.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222;2.中鐵西南科學研究院有限公司，成都 611731)

某隧道隧底填充結構裂損差異分析

汪旵生1，盧洪強1，鄭 波2

(1.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222;2.中鐵西南科學研究院有限公司，成都 611731)

某隧道進口段仰拱填充結構在施工期出現大量裂縫，且左線裂縫明顯比右線裂縫多。通過現場考察發現，隧道進口段地表的地形明顯存在一定坡度，左高右低，這種情況在一定程度上導致隧道左、右線所處位置的地下水頭高度存在一定差別。通過對圍巖滲流場計算得出，左線隧道仰拱中心底部最大水壓力值為0.235 MPa，右線隧道仰拱中心底部最大水壓力值為0.207 MPa，作用在左線隧道仰拱中心底部的最大水壓力比作用在右線隧道仰拱中心底部的最大水壓力約大12%。從襯砌結構受力計算結果得到，隧道左線仰拱填充結構的最大主力極值大于隧道右線仰拱填充結構的最大主力極值，且兩者均大于或稍大于仰拱填充材料C20混凝土的極限抗拉強度，導致仰拱填充結構開裂，并出現隧道左線仰拱填充結構拉張裂縫較多，而右線仰拱填充結構拉張裂縫較少的現象。

鐵路隧道;仰拱;開裂差異;水壓力;極限抗拉強度

1 研究背景

目前，國內外學者分別從試驗分析或理論研究出發，對隧道襯砌結構做了大量研究工作。如:肖林萍等［1］對雙連拱隧道的施工方法與結構內力樣式及圍巖穩定性進行了試驗研究;朱永全［2］進行了隧道襯砌結構極限狀態試驗研究，明確了隧道襯砌結構極限狀態概念;程樺［3］對軟弱圍巖復合式隧道襯砌進行了模型試驗研究，比較了直墻式與曲墻式隧道襯砌的變形、承載能力與破壞特征;潘洪科［4］在現場監測的基礎上，結合正反有限元方法分析了偏壓對隧道襯砌開裂的影響等。事實上，對于不同隧道，由于其所處地質環境不同，其襯砌開裂機理與特征亦有所不同［5-9］，對襯砌結構開裂機理分析應結合具體工程展開。從既有文獻資料來看，對隧道仰拱填充結構開裂研究案例很少，尚未發現研究隧道左、右線仰拱填充結構開裂差異分析資料。因此，結合某隧道進口段仰拱填充結構開裂情況，從地質、地形因素等方面探討仰拱填充結構左、右線開裂差異，對隧道襯砌開裂機理研究有著重要的意義。

2 工程概況

某隧道地處福建西北部，進口位于將樂縣城郊苦竹村，出口位于沙縣夏茂鎮后壟村。左線隧道全長17 842 m，右線隧道全長17 836 m。進口段隧道圍巖級別為Ⅳ或Ⅴ級，最大埋深約60 m，地下水發育，穿越F1、F2斷層，斷層可見寬度約15.0 m，麋棱巖為主，伴有綠泥石化，少量團塊狀硅化，斷面產狀 100°∠70°，走向與路線夾角為42°，為壓扭性逆斷層，上盤下盤擠壓片理發育，影響寬度各約20 m。在隧道施工過程中，在隧道進口段右上部建設水泥廠填筑場地，改變了原有地形地貌，抬升了地下水位。該隧道采用在邊墻與拱部設置盲管+無紡布+防水板的排水系統，底部不設任何地下水排導系統。

3 仰拱填充結構裂縫特征

在隧道開挖后，隧道進口段襯砌出現大量裂縫，特別是在仰拱填充結構部位，裂縫上寬下窄，呈“Ⅴ”字形，局部裂縫發育斜向發展，多數裂縫均未到底，左線仰拱填充結構裂縫最深約82 cm，右線仰拱填充結構裂縫最深約129 cm。隧道左線裂縫數量明顯比右線多，其裂縫分布由圖1所示。可以看出，裂縫主要出現在仰拱填充結構面隧道中心線附近，并且沿隧道中心線分布，在邊墻附近未出現裂縫。

圖1 雪峰山隧道進口段左、右線仰拱填充層頂面裂縫分布

4 圍巖滲流場特征

4.1 地形條件

圖2為某隧道進口段地表情況，由圖2可知，地形明顯存在一定坡度。另外，隧道DK300+850～DK301+300段位于低山地段，線路右側為一沖溝，2007年，當地修建水泥廠填平了該沖溝，一定程度上改變了原有的地形地貌，地表徑流發生變化，提高了地下水位，使圍巖含水量增加，地質條件惡化，原有滲流場也相應發生改變。

圖2 隧道進口段地表情況

4.2 圍巖初始滲流場

選取隧道進口段DK301+230橫斷面為滲流計算斷面，模擬分析隧道初始滲流場及隧道開挖、支護等過程中圍巖滲流場特征，計算模型網格如圖3所示。

根據地質勘察資料，計算參數取值如下:圍巖滲透系數km=1×10-6cm/s，仰拱填充結構滲透系數 km=1×10-10cm/s。由于在邊墻及拱部襯砌背后設置盲管+無紡布+防水板的地下水排導系統，考慮地下水排導系統能滿足排水要求，作用在襯砌背后的水頭近似為0，考慮到初支存在一定透水性，但又有一定的阻水作用，取其滲透系數為 kl=1×10-7cm/s。

圖3 計算模型網格

另外，根據鉆孔地質勘察資料［10］，地下水位范圍1.4～1.7 m，因此，計算中統一取地下水埋深為2.0 m，在模型兩邊施加靜水壓力邊界，按式(1)確定，襯砌內水壓力邊界為p=0，沿隧道軸線方向取單位長度。

式中，H 為埋深，m;γw為水的容重，kN/m3。

圖4為圍巖初始孔隙水壓力等值線圖，由圖4可以看出，地表不平坦會導致左右線隧道位置初始地下水水頭高度不一致，左線隧道拱頂位置地下水水頭為50.8 m，右線隧道拱頂位置地下水水頭為48.2 m。可見，地形坡度在一定程度影響隧道初始水頭高度。

圖4 圍巖初始孔隙水壓力等值線

4.3 隧道開挖對圍巖滲流場的影響

圖5(a)為右線隧道開挖支護后圍巖孔隙水壓力等值線圖，圖5(b)為右、左線隧道均開挖支護后圍巖孔隙水壓力等值線圖。由圖可以看出，隧道開挖后，開挖面滲水會改變圍巖局部滲流場，如果保持隧道排導系統正常工作，那么會降低地下水位，但是，當雨季來臨或地表水補充充分時仍然會導致地下水位進一步上升。

從圖5(b)還可以看出，右、左線隧道均開挖支護后，作用在右、左線隧道上的地下水位仍然有一定的差別，顯然，作用在左線隧道襯砌結構上的水頭值要大于作用在右線隧道襯砌結構上的水頭值。

根據勘察資料及復合式襯砌水壓力原理［11，12］，通過計算可知，作用左線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.235 MPa，而作用在右線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.207 MPa，可見，作用在左線隧道仰拱中心底部的最大水壓力比作用在右線隧道仰拱中心底部的最大水壓力約大12%。

圖5 隧道開挖支護后圍巖孔隙水壓力等值線

5 左右線襯砌結構受力分析

根據上述滲流場計算結果，作用在襯砌結構上的水壓力分布規律如圖6所示。計算時考慮水壓力與圍巖壓力的共同作用，圍巖壓力根據《鐵路隧道設計規范》［13］確定，水平圍巖壓力分別取不同側壓力系數，計算模型采用“荷載-結構”模型。計算中，拱墻及仰拱為C35鋼筋混凝土，彈性模量取32.25 GPa，仰拱填充結構為C20混凝土，彈性模量取28 GPa，襯砌厚度取50 cm。Ⅳ級圍巖，圍巖重度取22 kN/m3，彈性反力系數取200 MPa/m;Ⅴ級圍巖，圍巖重度取20 kN/m3，彈性反力系數取100 MPa/m。

圖6 左、右線隧道襯砌結構上水壓力分布規律(單位:MPa)

圖7、圖8為不同工況下左、右線隧道襯砌結構應力狀態分布圖，表1為不同工況下襯砌結構應力狀態極值匯總表。從圖7、圖8及表1可以看出，最大主應力極值均出現在仰拱填充層頂面中心線附近，為拉應力，而最小主應力極值均出現在邊墻墻腳附近，為壓應力。在不同計算工況下，隧道左線仰拱填充結構最大主應力極值均大于C20混凝土的極限抗拉強度值1.7 MPa，而隧道右線仰拱填充結構最大主應力極值稍大于C20混凝土的極限抗拉強度值，隧道右線仰拱填充結構應力處于混凝土拉裂的臨界狀態。這說明雪峰山隧道進口段左、右線隧道仰拱填充結構開裂程度不同主要是由于其應力狀態不同造成的，相比而言，隧道左線仰拱填充結構的最大主力極值要大于隧道右線仰拱填充結構的最大主力極值，兩者分別大于或稍大于仰拱填充材料C20混凝土的極限抗拉強度。從而出現左線隧道仰拱填充結構拉張裂縫較多，而右線隧道 仰拱填充結構拉張裂縫較少的現象。

圖7 左、右線隧道襯砌結構應力狀態對比圖(Ⅳ級圍巖、側壓力系數0.3)

圖8 左、右線隧道襯砌結構應力狀態對比圖(Ⅴ級圍巖、側壓力系數0.3)

表1 不同工況下襯砌結構應力極值匯總 MPa

另外，由圖7、圖8及表1可知，在不同計算工況下，襯砌結構的最大壓應力遠小于拱墻及仰拱的C35鋼筋混凝土允許壓力值13.0 MPa和極限抗拉強度值30.0 MPa。因此，襯砌結構不會出現壓潰現象。

綜合上述分析可知，左線隧道仰拱填充結構開裂程度會比右線隧道仰拱填充結構嚴重的現象，主要是由于地表存在一定坡度，導致左、右線隧道所處位置地下水頭值有所不同，導致作用在左線隧道襯砌結構上的水頭值要大于作用在右線隧道襯砌結構上的水頭值。同時，隧道仰拱不設任何地下水排導系統，而在隧道邊墻及拱部設計了盲管+無紡布+防水板的排導系統，從而使作用邊墻與拱部的水壓力近似為0，作用在仰拱底部的水壓力較大。在圍巖壓力與仰拱水壓力的共同作用下，會導致仰拱填充結構出現拉張裂縫，且左線填充結構裂縫多于右線填充結構裂縫。

6 結論

根據隧道進口段地形因素、地下水水頭等情況，考慮土壓力與水壓力共同作用，對隧道進口段左、右線仰拱填充結構應力狀態進行了分析，得出以下主要結論。

(1)地表不平坦會導致左、右隧道位置初始地下水水頭高度不一致，左線隧道拱頂位置地下水水頭為50.8 m，右線隧道拱頂位置地下水水頭為48.2 m;作用在左線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.235 MPa，作用在右線隧道仰拱中心底部最大水壓力值約為0.207 MPa。

(2)襯砌結構的最大主應力極值均出現在仰拱填充層頂面中心線附近，為拉應力，而最小主應力極值均出現在邊墻墻腳附近，為壓應力。

(3)計算結果表明:左線隧道仰拱填充結構最大主應力極值均大于C20混凝土的極限抗拉強度值1.7 MPa，而右線隧道仰拱填充結構最大主應力極值稍大于C20混凝土的極限抗拉強度值，右線隧道仰拱填充結構應力處于混凝土拉裂的臨界狀態。在圍巖壓力與仰拱水壓力共同作用下，會導致仰拱填充結構出現裂縫，且左線填充結構裂縫多于右線隧道填充結構裂縫的現象。

［1］ 肖林萍，趙玉光，申玉生.雙連拱隧道結構內力樣式及圍巖穩定性模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(23):4346-4351.

［2］ 朱永全，張素敏，張彥兵，等.隧道襯砌結構極限狀態的概念及室內試驗研究［J］.石家莊鐵道學院學報，1997(10):1-6.

［3］ 程樺，孫鈞，呂淵.軟弱圍巖復合式隧道襯砌模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，1997，16(2):162-170.

［4］ 潘洪科，楊林德，黃慷.公路隧道偏壓效應與襯砌裂縫的研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(18):3311-3315.

［5］ 李治國.隧道巖溶處理技術［J］.鐵道標準設計，2008(S1):36-40.

［6］ 蔣榮.湯家灣隧道病害及整治［J］.鐵道標準設計，2003(3):25-26.

［7］ 鄧國珍，王超，付國才.寶中鐵路老爺嶺隧道病害整治［J］.鐵道標準設計，2008(10):96-98.

［8］ 李國英.巖溶地區隧道仰拱開裂的整治［J］.鐵道標準設計，2007(1):68-71.

［9］ 盧永成.對混凝土拱涵開裂的幾點看法［J］.鐵道建筑，1993(1):12-14.

［10］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.新建向莆鐵路雪峰山隧道進口段施工補勘［Z］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2011.

［11］ 鄭波.隧道襯砌水壓力荷載的實用化計算研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2010.

［12］ 鄭波，王建宇，吳劍.基于等效滲透系數計算襯砌水壓力方法研究［J］.現代隧道技術，2012，48(6):43-46.

［13］ 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

Analysis on Crack Damage Difference of Filling Structure at a Tunnel Invert

WANG Han-sheng1，LU Hong-qiang1，ZHENG Bo2
(1.China Railway 18 Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin，300222，China;2.Southwest Research Institute Co.，Ltd.of C.R.E.C.，Chengdu 611731，China)

A large number of cracks once appeared on the filling structure of the invert at the entrance region of a tunnel in the construction period，and the crack number of the left line was obviously more than that of the right line.Through field investigation，it was found that there was a certain gradient slope of ground surface at the tunnel entrance region and the left side was higher than the right side，thus it generated a ground water head difference between the left line and the right line of the tunnel to a certain degree.Then the results of the calculation on the seepage field of the surrounding rock showed that:the maximum value of water pressure acting on the center of the invert of the left line tunnel was 0.235 MPa，and in the right line tunnel it was 0.207 MPa，so the former was greater than the latter about 12%.Furthermore，the results of stress calculation on the lining structure showed that:the maximum principal stress value of the filling structure of the left line invert was greater than that of the right line invert，and both were greater than or slightly larger than the ultimate tensile strength of C20 concrete which was used as the filling material of the invert.So these reasons had caused a large number of cracks on the filling structure of the invert，with the phenomenon that the crack number of the left line was more than that of the right line.

railway tunnel;invert;crack damage difference;water pressure;ultimate tensile strength

U457+.2

A

1004-2954(2013)04-0092-04

2012-08-01;

2012-08-20

中國中鐵股份有限公司科技開發計劃課題和中鐵十八局自主立項課題資助(編號:重點-40-2011)

汪旵生(1970—)，男，高級工程師，E-mail:sjzc1888@163.com。