云桂鐵路石林隧道二次襯砌背后脫空受力分析及預防措施

彭萬平，張春光

（中鐵一局集團有限公司，陜西西安710054）

云桂鐵路石林隧道二次襯砌背后脫空受力分析及預防措施

彭萬平，張春光

（中鐵一局集團有限公司，陜西西安710054）

襯砌背后脫空是隧道質量通病之一。為了掌握二次襯砌各部位脫空對結構受力的影響，采用有限元計算方法對云桂鐵路石林隧道二次襯砌拱頂、拱腰、邊墻3個部位分別脫空1，2，4 m進行計算分析。結果表明:邊墻脫空比拱部脫空對隧道襯砌結構安全的影響更大，對預防邊墻脫空的重視程度需要加強。根據現場實踐經驗提出了預防脫空的措施。

鐵路；隧道；脫空；預防

1　工程概況

云桂鐵路石林隧道設計為雙線鐵路隧道，凈寬13.22 m，凈高9.2 m。隧道Ⅱ，Ⅲ級圍巖二次襯砌按承受圍巖松弛荷載的30%設計，拱墻二次襯砌設計為C30素混凝土；Ⅳ，Ⅴ級圍巖二次襯砌按承受圍巖松弛荷載的50%設計，拱墻二次襯砌設計為C35鋼筋混凝土。全隧穿越碳酸鹽巖地層，碳酸鹽巖脆硬，溶蝕裂隙發育，開挖輪廓不易控制，二次襯砌背后易產生脫空現象。

2　二次襯砌背后脫空對結構的影響

為了掌握二次襯砌各部位脫空對結構受力的影響，采用有限元計算方法對二次襯砌拱頂、拱腰、邊墻3個部位無脫空及分別脫空1，2，4 m進行計算，共分為4種類型10種工況。

2.1數值計算模型的建立及參數取值

由于隧道背后脫空現象多發生于巖層條件較好的硬質巖中，因此對隧道Ⅲ級圍巖采用地層結構法進行平面應變分析。

計算模型橫向寬度180 m，縱向高度150 m，直角坐標系的坐標原點位于仰拱中心。圍巖材料均服從Mohr-Coulomb準則，以四邊形為單元進行離散，地層—隧道斷面網格劃分示意如圖1。隧道二次襯砌采用彈性梁單元模擬，左側邊墻腳處單元為1#，順時針編號，二次襯砌共劃分92個單元，見圖2。

圖1　地層—隧道斷面網格劃分示意

圖2　二次襯砌梁單元示意

坐標系中，X軸平行于隧道橫斷面和水平面，Y軸垂直向上。靜力分析中，兩側邊界取X方向固定，Y方向自由；底部邊界取Y方向固定，X方向自由；在2個角點上X，Y方向均固定。計算模型共離散為2 740個單元，2 850個節點。數值計算模型各參數取值見表1。

表1　數值計算模型參數取值

2.2數值模擬工況

數值模擬共分為10種工況（見表2），其中1種無脫空工況，9種脫空工況。為模擬9種脫空工況，從隧道二次襯砌拱頂至邊墻沿外輪廓每1.0 m劃分一個脫空單元，脫空高度0.5 m，共劃分16個脫空單元。其中，單元1～4為拱頂單元，單元9～12為拱腰單元，單元13～16為邊墻單元，見圖3。

表2　數值模擬工況

圖3　16個脫空單元示意

2.3計算結果

10種工況的二次襯砌梁單元節點安全系數計算結果見圖4。

由圖4可見：①邊墻脫空在各工況中影響范圍最大，影響范圍達到拱頂中部及仰拱中部。②無論脫空位置出現于二次襯砌何處，在脫空0～4 m范圍內，脫空4 m時對二次襯砌結構的影響最大。③邊墻脫空對二次襯砌結構安全的影響最大，拱腰脫空次之，拱頂脫空影響相對最小。拱頂脫空4 m時，二次襯砌34號梁單元節點安全系數為13.006，相對于無脫空時該節點安全系數45.871降低71.6%；拱腰脫空4 m時，二次襯砌46號梁單元節點安全系數為2.685，相對于無脫空時該節點安全系數19.629降低86.3%；邊墻脫空4 m時，二次襯砌55號梁單元節點安全系數為1.889，相對于無脫空時該節點安全系數15.457降低87.8%。

圖4　不同脫空工況下二次襯砌梁單元節點安全系數

可見，隧道襯砌無論是拱部脫空、拱腰脫空，還是邊墻脫空，均極大地改變了隧道襯砌結構受力和變形狀態，對襯砌結構的安全影響極大。襯砌結構可能因背后脫空造成混凝土結構受拉開裂，導致滲漏水和鋼筋腐蝕，失去應有的承載能力。襯砌背后脫空后無法保證結構的長期安全運營，因此必須加以預防和處理。

3　襯砌背后脫空預防措施

預防二次襯砌脫空需從隧道開挖、初期支護、防水板鋪設、混凝土澆筑、工裝設備改進等各施工環節加以控制。具體措施如下：①將周邊眼間距控制在50 cm以內，鉆孔時嚴格控制周邊眼外插角，控制開挖成型效果，為初期支護表面平整提供基礎條件。②重視初期支護作業細節，保證初期支護平整度達標，為防水板鋪設提供良好基面。③規范防水板鋪設工藝，避免防水板緊繃或冗余造成局部脫空。防水板拱部固定點間距控制在0.8 m以內，邊墻固定點間距控制在1.0 m以內，梅花形布置。防水板采用焊接固定，控制松弛度。④混凝土澆筑過程中，在灌注窗口采用絲杠對防水板進行固定，減少混凝土對防水板的拖拽，盡量避免入模混凝土直接沖擊防水板。⑤混凝土澆筑過程中采用插入式振搗器配合附著式振搗器搗固，保證振搗效果。⑥在拱頂中部順線路方向緊貼防水板預埋2根PVC花管，用于注漿和排氣。⑦進一步研究、完善現有隧道二次襯砌的施工工藝，改進工裝設備；在臺車面板部位布設壓力測定裝置，用定量數據來確保混凝土灌注的密實度，從施工工藝上杜絕二次襯砌脫空現象。

4　結語

1）襯砌結構可能因背后脫空造成混凝土結構受拉開裂，導致滲漏水和鋼筋腐蝕，失去應有的承載能力，因此二次襯砌背后脫空現象必須加以預防和處理。

2）一般情況下，施工技術人員認為拱頂脫空對隧道襯砌結構安全的影響最大，施工中比較重視對拱頂脫空的預防。但根據本文的計算分析，邊墻脫空比拱頂脫空對隧道襯砌結構安全的影響更大，對預防邊墻脫空的重視程度需要加強。

3）本分析采用的計算模型為二維模型，尚未考慮隧道縱向的影響。

［1］王培林.高速公路隧道二次襯砌脫空對其結構安全性影響研究［J］.西部探礦工程，2013（3）：185-190.

［2］張運良，聶子云，李鳳翔.襯砌背后脫空對隧道結構影響三維數值分析［J］.鄭州大學學報（工學版），2013，34（2）：94-98.

［3］王立川，周東偉，吳劍，等.鐵路隧道復合襯砌脫空的危害分析與防治［J］.中國鐵道科學，2011，32（5）：56-63.

［4］劉永華.二次襯砌結構拱頂存在空洞或裂縫的數值模擬［J］.公路隧道，2006（3）：11-13.

［5］李偉東.公路隧道二次襯砌頂部脫空的分析及處理［J］.交通科技與經濟，2009（2）：26-27.

［6］梁敏.隧道二襯脫空原因分析及防治［J］.鐵道建筑，2014（6）：95-97.

［7］彭躍，王桂林，張永興，等.襯砌背后空洞對在役隧道結構安全性影響研究［J］.地下空間與工程學報，2008，4（6）：1101-1104，1137.

［8］佘健，何川，汪波，等.襯砌背后空洞對隧道結構承載力影響的模型試驗研究［J］.公路交通科技，2008，25（1）：104-110.

（責任審編葛全紅）

Mechanical Analysis and Preventive Measures Concerning Voids Behind Secondary Lining in Shilin Tunnel on Kunming－Nanning Railway

PENG Wanping，ZHANG Chunguang
（China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710054，China）

Void behind the lining is among common engineering diseases.T o understand howvoids behind secondary lining affect structural behavior，a finite element analysis was carried out at positions of vault，haunch and sidewall of the Shilin T unnel on Kunming-Nanning railway.T he depths of the voids at the section are 1 m，2 m and 4 m，respectively.T he results reveal that void at the sidewall causes more significant influence than the void at vault，requiring more attention.T he correspondingpreventive measures were presentedbasedonthe engineering experience.

Railway；T unnel；Void；Precaution

U457+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.19

1003-1995（2016）10-0072-03

2016-04-06；

2016-07-20

彭萬平（1976—），男，高級工程師。