淺埋偏壓隧道襯砌背后空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響

張子韻， 李 思， 盧 鋒， 史鍇然

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

由于施工不當(dāng)、地質(zhì)條件不良等因素，隧道襯砌背后容易出現(xiàn)空洞，從而引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的病害。對(duì)于隧道襯砌背后存在空洞情況，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量地研究：佘健等采用大比例室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了隧道結(jié)構(gòu)在不同圍巖條件下、不同空洞位置、不同地應(yīng)力場(chǎng)作用下襯砌結(jié)構(gòu)受力破壞特征[1]；賴金星等依托數(shù)值計(jì)算分析了盾構(gòu)隧道襯砌背后空洞位置和大小對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律[2]；方勇等結(jié)合隧道-地層復(fù)合模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同位置空洞與不同外水壓荷載共同作用下二次襯砌的受力分布規(guī)律及開裂特征[3]；彭躍等依托有限元計(jì)算研究了雙洞隧道情況下襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響[4]；張旭等通過模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了拱頂與拱肩背后存在雙空洞條件下隧道結(jié)構(gòu)裂損演化過程及襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律[5]；GAO Y等基于微震法和數(shù)值模擬分析了空洞對(duì)于山嶺隧道動(dòng)力響應(yīng)地影響[6]。

在實(shí)際工程條件下，尤其是隧道臨近洞口段，淺埋偏壓情況大量存在。對(duì)于淺埋隧道，一般隧道周圍土體風(fēng)化程度較重，且受到降水等因素影響，容易造成隧道襯砌背后出現(xiàn)空洞。因此，研究淺埋偏壓情況下隧道襯砌背后空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響對(duì)于隧道維修與養(yǎng)護(hù)具有重要意義。本文基于Flac 3d有限差分軟件，研究了淺埋偏壓情況下空洞尺寸及位置對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，以此為淺埋偏壓隧道空洞病害處置提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 模型建立

以JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中v=100km/h情況的標(biāo)準(zhǔn)斷面作為隧道凈空，隧道襯砌取為厚度是50 cm的單層混凝土襯砌，隧道偏壓角度取為30°，地層采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，襯砌采用殼單元進(jìn)行模擬，由此建立平面應(yīng)變的地層結(jié)構(gòu)模型(圖1)。

圖1 數(shù)值模型(單位：m)

地層參數(shù)取為Ⅳ級(jí)圍巖，為摩爾-庫倫材料，隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)取為C35素混凝土，為彈性材料，具體材料參數(shù)如表1所示。

1.2 工況設(shè)計(jì)

為研究淺埋偏壓情況下襯砌背后空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，參考前人研究成果，本文將空洞取為條形形狀進(jìn)行研究，并設(shè)置了拱頂、左右拱腰、左右拱腳和左右墻腳各位置處的不同空洞尺寸(深度和寬度)的計(jì)算工況(表2)。各位置處空洞如圖2所示。

表1 材料參數(shù)

表2 工況設(shè)置

圖2 空洞位置

2 空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響

提取各工況下襯砌結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩值，根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢算，獲得襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)值。根據(jù)安全系數(shù)值的分布情況，分析襯砌背后空洞位置及尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。

2.1 各位置處空洞深度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響

由工況0和工況1～工況7獲得各位置處不同空洞深度下襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布情況(圖3)。

從圖3可以看出，在無空洞情況下，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)位置點(diǎn)位于右拱腳處，數(shù)值為5.51。相比于無空洞情況，襯砌背后空洞明顯改變了空洞附近局部范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的分布規(guī)律，但對(duì)距離空洞較遠(yuǎn)處的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)影響不大，其中拱腳處空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布的影響范圍要明顯大于其他位置處的影響范圍。偏壓作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布不再與隧道中線對(duì)稱；空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響效果也不再對(duì)稱：拱頂空洞對(duì)隧道中線兩側(cè)對(duì)稱位置處結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響效果存在差異；左側(cè)空洞引起結(jié)構(gòu)安全系數(shù)突變點(diǎn)B、D或F的位置分別高于對(duì)應(yīng)右側(cè)空洞引起結(jié)構(gòu)安全系數(shù)突變點(diǎn)C、E或G的位置。同時(shí)，隨著空洞深度的增大，空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布的影響范圍逐漸增大；但在空洞深度從40 cm增大到120 cm的過程中，影響范圍增大程度不大，且結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布規(guī)律大致相同，只是在數(shù)值上存在一定差異。

為進(jìn)一步分析影響效果，對(duì)不同工況下典型位置(即空洞引起結(jié)構(gòu)安全系數(shù)突變點(diǎn)位置)的安全系數(shù)值進(jìn)行分析，典型位置見圖3中的點(diǎn)A(含A1、A2)～G，得到典型位置處結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨空洞深度變化情況，如圖4所示。由圖4(a)可見，空洞出現(xiàn)在拱頂背后時(shí)，正拱頂A和深埋側(cè)A2處的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨空洞深度的增大而逐漸降低；淺埋側(cè)A1位置結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨空洞深度的增大而逐漸升高。由圖4(b)可見，各位置處空洞引起的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)突變點(diǎn)的安全系數(shù)值均隨空洞深度的增大而降低，但降低幅度存在差異：左拱腰空洞時(shí)，點(diǎn)B的安全系數(shù)降低幅度小于右拱腰空洞時(shí)點(diǎn)C的安全系數(shù)降低幅度，而左拱腳空洞時(shí)，點(diǎn)D、左墻腳空洞時(shí)點(diǎn)F的安全系數(shù)降低幅度分別大于右拱腳空洞時(shí)點(diǎn)E、右墻腳空洞時(shí)，點(diǎn)G的安全系數(shù)降低幅度。整體來看，圖4中所有典型位置處安全系數(shù)升高或降低速率均隨空洞深度的增大而逐漸趨于緩和；空洞深度從0～40 cm過程中典型位置處安全系數(shù)變化明顯，但從40 cm～120 cm過程中典型位置處安全系數(shù)變化較小。

(a) 拱頂空洞

(d) 左拱腳空洞

(e) 右拱腳空洞

(f)左墻腳空洞

(g) 右墻腳空洞圖3 各位置處不同空洞深度下的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布

(a) 拱頂空洞

(b) 其余位置空洞

2.2 各位置處空洞寬度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響

由工況0和工況8～工況14獲得各位置處不同空洞寬度下襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布情況(圖5)。

從圖5可以看出，隨著空洞寬度的增大，空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布的影響范圍逐漸增大；且空洞寬度范圍越大，空洞附近結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布波動(dòng)越明顯。同時(shí)，由于偏壓作用，拱頂空洞隨寬度增加對(duì)隧道中線兩側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響效果存在差異，左側(cè)空洞隨寬度增加對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響效果與右側(cè)空洞產(chǎn)生的影響也存在差異。

(a) 拱頂空洞

(b) 左拱腰空洞

(c) 右拱腰空洞

(d) 左拱腳空洞

(e) 右拱腳空洞

(f)左墻腳空洞

(g) 右墻腳空洞圖5 各位置處不同空洞寬度下的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布

為進(jìn)一步分析影響效果，仍以圖3中的典型位置A(含A1、A2)～G進(jìn)行研究分析，得到典型位置處結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨空洞寬度變化情況，如圖6所示。由圖6(a)可見，空洞出現(xiàn)在拱頂背后時(shí)，正拱頂A和深埋側(cè)A2處的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨空洞寬度的增大而逐漸降低；淺埋側(cè)A1位置結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨空洞深度的增大而逐漸升高。由圖6(b)可見，拱腰和拱腳空洞引起的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)突變點(diǎn)的安全系數(shù)值均隨空洞寬度的增大而降低，但降低幅度存在差異：左拱腰空洞時(shí)點(diǎn)B的安全系數(shù)降低幅度小于右拱腰空洞時(shí)點(diǎn)C的安全系數(shù)降低幅度，而左拱腳空洞時(shí)點(diǎn)D的安全系數(shù)降低幅度大于右拱腳空洞時(shí)點(diǎn)E的安全系數(shù)降低幅度。墻腳空洞引起的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)突變點(diǎn)的安全系數(shù)值隨空洞寬度的增大先降低而后有較小回升，但左墻腳空洞時(shí)點(diǎn)F的安全系數(shù)變化幅度小于右墻腳空洞時(shí)點(diǎn)G的安全系數(shù)變化幅度。

(a) 拱頂空洞

(b) 其余位置空洞

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值分析的方法，對(duì)淺埋偏壓隧道襯砌背后空洞位置及尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)安全性地影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到以下結(jié)論：

(1)襯砌背后空洞明顯改變了空洞附近局部范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的分布規(guī)律，但對(duì)距離空洞較遠(yuǎn)處的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)影響不大，其中拱腳處空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布的影響范圍要明顯大于其他位置處的影響范圍。

(2)偏壓作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布不再關(guān)于隧道中線對(duì)稱，空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響效果也不再對(duì)稱：拱頂空洞對(duì)隧道中線兩側(cè)對(duì)稱位置處結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響效果存在差異；隧道中線兩側(cè)對(duì)稱位置處襯砌背后空洞深度和寬度變化對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響程度在深埋側(cè)與淺埋側(cè)是不同的。

(3)空洞深度越大，空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布的影響范圍越大；但空洞出現(xiàn)后，空洞深度的增加對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布規(guī)律的影響不大。

(4)空洞寬度越大，空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布的影響范圍越大，空洞附近結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布波動(dòng)越明顯。