襯砌背后空洞對不同等級圍巖的影響分析

王 偉 盧軍源 李盈燦

（長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

襯砌背后空洞對不同等級圍巖的影響分析

王 偉 盧軍源 李盈燦

（長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

隧道病害越來越引起人們的關注與重視，選取襯砌背后存在空洞這一常見隧道病害形式，利用有限元軟件ANSYS建立三維彈塑性模型，運用地層結構法，通過模擬隧道開挖施工，分析拱頂部位空洞對不同等級圍巖的位移以及內力的影響。結果表明襯砌背后空洞的存在降低襯砌結構的安全性，隨著圍巖等級變差，襯砌安全性越差，指出隧道空洞病害常用的維修加固措施。

隧道病害 襯砌背后空洞 數值模擬 位移 內力

1引言

1.1 隧道病害

隨著我國國民經濟實力增強，公路隧道得到飛速發展，從隧道的數量、規模和建設速度來看，我國已成為世界上隧道工程最多、最復雜、發展最快的國家[1]。然而由于地質條件、地形條件、氣候條件和設計施工、運營過程中各種因素的影響，隧道建成后在使用過程中會出現各種各樣不同程度的病害，部分隧道甚至在使用的前期就出現比較嚴重的隧道病害，如襯砌裂損、隧道滲漏水等。襯砌背后存在空洞是比較常見的隧道病害，隧道病害嚴重影響著隧道的運營安全，縮短了隧道的使用壽命，同時也造成人力、物力和經濟的損失。

1.2 空洞成因

造成襯砌背后存在空洞的原因主要為在新奧法隧道施工時，由于隧道爆破效果不夠理想，超欠挖現象普遍，部分施工單位為了追求經濟快速，通過鋼筋網在作為初期支護的噴射混凝土層背后設置石塊、泡沫、稻草等取代混凝土進行充填，造成了圍巖與初期支護之間接觸不良，有些甚至形成了較大型的空洞；在對隧道二次襯砌進行施工中，泵送混凝土的壓力不足，混凝土流動性差，以及抽拔泵送管太早太快等原因，造成模筑混凝土厚度不足而形成了空洞，主要以拱頂部位為主[2]。

1.3 空洞危害

襯砌背后存在空洞時，襯砌結構的受力以及圍巖的應力狀態會發生改變。襯砌上邊緣容易發生開裂，圍巖會失去應有的支護而松弛、變形，導致失穩、脫落，嚴重時會發生崩塌，嚴重影響隧道使用和行車安全[3]。

2有限元模型

以河南省某隧道工程為依托，建立ANSYS有限元模型，進行三維彈塑性分析，模型范圍取隧道縱向長度12m，上下左右各取4倍洞徑，經驗表明如果取計算邊界為隧道等效直徑的3～5倍，則邊界誤差在10%以內。模型共劃分為29952個單元，33985個節點，模型整網格劃分如圖1所示、空洞及支護結構示意如圖2所示。采用八節點三維實體單元solid45模擬圍巖，采用三維殼單元shell63模擬襯砌結構。隧道圍巖及支護結構材料按均質彈塑性考慮，采用Drucker-Prager屈服準則，其表達式為：

圖1 有限元模型

圖2 隧道支護結構及空洞模型

初期支護中鋼拱架的模擬采用等效的方法予以考慮，通過將其強度整合計算到噴射混凝土中綜合考慮，具體計算公式為。式中：為折算后的噴射混凝土彈性模量；為原噴射混凝土彈性模量；為鋼拱架彈性模量；為鋼拱架截面積；為噴射混凝土截面積[4]。采用臺階法進行開挖，每次進尺1m。

表1 模型材料物理力學參數選取

Ⅴ級圍巖1.8 0.38 24 0.2 22初次襯砌26 0.2 24二次襯砌26 0.2 24

3計算結果分析

3.1 位移特征

位移作為判定隧道圍巖結構穩定的主要參數，本文選取三種等級圍巖空洞下方拱頂部位開挖過程中豎直方向的位移量進行對照分析，各等級圍巖開挖過程中拱頂下沉量（見圖3）。

圖3 各等級圍巖襯砌背后存在空洞時拱頂沉降量

可以看出采用臺階法開挖時，拱頂沉降主要集中發生在上臺階開挖的過程中。存在空洞情況下，空洞處襯砌外側受拉內側受壓，產生應力集中。Ⅲ級圍巖開挖至空洞處拱頂沉降量有明顯減小的趨勢；Ⅳ級圍巖隨著開挖至空洞處拱頂沉降值由負值逐漸變為正值1mm，說明空洞處襯砌有向上拱起的趨勢，等開挖結束后，隨著圍巖自穩，沉降值又恢復到負值；對于Ⅴ級圍巖，空洞處襯砌向上拱起的趨勢更為明顯，突起位移量達到7mm，且最終沉降值為正值4mm，說明襯砌變形較大，甚至可能破壞。

3.2 內力特征

為了分析隧道襯砌背后空洞對不同等級圍巖隧道結構的作用，選取各等級圍巖開挖后隧道襯砌各方向的彎矩圖進行分析。空洞處對應襯砌由于空洞的作用外側產生最大負彎矩值，在其周圍兩側襯砌則產生最大正彎矩值；X方向彎矩最大正彎矩產生在空洞橫向兩側，Y方向彎矩最大正彎矩產生在空洞縱向兩側；隨著圍巖等級的變差，這種彎矩效應也逐步增強；襯砌Z方向彎矩的最大正彎矩及最大負彎矩也都出現在空洞處；這種彎矩集中且反差較大的現象對襯砌的安全性產生很不利的影響。

4 小結

通過對不同等級圍巖襯砌背后存在空洞情況下數值模擬，分析其位移及內力特征，可以得到下面的認識：（1）采用臺階法開挖時，拱頂沉降主要集中發生在上臺階開挖的過程中。空洞使初期支護在失去外側圍巖抗力的情況下外側受拉，內側受壓。空洞處豎直方向位移明顯有向上發展的趨勢，Ⅲ級圍巖由于其自穩性比較好空洞處拱頂沉降值均為負值，Ⅳ級及Ⅴ級圍巖空洞處襯砌向上拱起的趨勢比較明顯，Ⅴ級圍巖更是達到7mm，對襯砌結構的穩定性產生極大影響。（2）空洞出襯砌內力產生集中，各方向最大正彎矩及最大負彎矩都集中在空洞對應的襯砌附近，對襯砌的安全性不利。隨著圍巖等級變差，襯砌最大正負彎矩值近似成倍的增大，容易導致襯砌結構出現裂縫或破損甚至更嚴重的病害，對襯砌結構的穩定性影響很大。（3）襯砌背后空洞是隧道比較容易出現的病害之一，使襯砌的受力狀態發生改變，還將衍生出襯砌裂損、滲漏水等其他病害。出現襯砌后空洞病害時，常用的維修加固措施有回填壓注、內表面補強、錨桿補強以及內襯拱架補強等。本文僅對三種等級圍巖隧道襯砌背后空洞進行分析，然而影響隧道穩定的因素還有很多，很多病害都是同時出現綜合作用，因此還需要進行更深入的研究和分析。

[1]郭陜云. 論我國隧道和地下工程技術的研究和發展[J]. 現代隧道技術2004(增刊):1-6.

[2]何健，佘川. 高速公路隧道維修與加固[M]. 北京：人民交通出版社，2006

[3]司徒麗新，鄒友泉. 襯砌背后空洞對于公路隧道的危害性研究[J]. 山西建筑，2007，33（31）：301-302.

[4]吳波，劉維寧，高波.城市錢買隧道施工性態的時空效應分析[J]. 巖土工程學報，2004，26（3）：340-343.

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1007-6344（2015）04-0322-01