基于數值分析的隧道襯砌病害檢測技術研究

覃成科

摘要：在高速公路隧道質量控制中，隧道襯砌質量常常因其隱蔽性，而難以做到直觀有效的檢測。現階段，關于隧道襯砌質量檢測技術的研究主要集中在地質雷達探測、聲波探測、回彈檢測等無損檢測方法的應用方面，而關于檢測中發現的襯砌質量缺陷對結構穩定性影響方面的研究較少。文章依托工程實踐，通過地質雷達探測的病害分布信息，采用MIDASGTSNX有限元數值模擬手段，建立荷載-結構法的二維平面模型，研究不同脫空位置對襯砌結構受力的影響，發現隧道襯砌結構受力對拱腰部位的襯砌脫空最敏感，當脫空尺寸達0.2m（高）×1m（長）時，襯砌結構最大vonMises應力位置發生變化，應力增幅達58%，從而為有效指導工程實踐提供了數據支撐。通過探索雷達檢測與數值分析相結合的手段在公路隧道襯砌質量檢測中的應用，可為類似檢測工程提供參考借鑒。

關鍵詞：地質雷達;MIDASGTSNX;有限元數值分析;襯砌脫空;公路隧道

0 引言

隨著我國公路隧道建設的迅猛發展，隧道襯砌質量的控制面臨巨大挑戰。由于隧道襯砌施工具有隱蔽性，導致其對檢測手段的要求越來越高。當前對隧道襯砌質量進行檢測的方法主要是無損檢測方法，包括地質雷達法、聲波探測法、回彈檢測法等。其中，地質雷達法作為隧道襯砌質量檢測的主要無損檢測手段，國內外學者對其進行了大量研究，且取得了顯著效果[1-4]，而關于隧道襯砌質量缺陷對隧道結構穩定性影響方面的研究相對較少[5-7]，將地質雷達與數值分析相結合的手段應用至工程檢測中的研究則更少。

本文依托板可隧道襯砌質量檢測項目，通過地質雷達檢測隧道襯砌質量，并借助MIDASGTSNX有限元分析軟件，采用荷載-結構法，建立隧道典型病害斷面的二維有限元模型，研究了隧道襯砌不同脫空位置及其組合對襯砌結構穩定性的影響，從而有效指導工程實踐。本工程采用的地質雷達探測與數值分析相結合的手段，可為類似檢測項目提供參考。

1 工程概況

板可隧道為上下分離式四車道高速公路長隧道，位于廣西壯族自治區百色市平果縣境內。隧道上行線長2175m，施工樁號為YK427+407～YK429+582;下行線長2180m，施工樁號為KZ428+930～KZ429+590。養護人員進行日常巡檢時發現，在隧道上行線YK429+050～YK429+095區段，發生較嚴重的襯砌滲漏水病害。該區段隧道主要穿越中風化灰巖地帶，該地帶巖石堅硬，受斷層的影響，局部裂隙可能存在大斷層。該區段設計為Ⅳ級圍巖，襯砌設計斷面為S4-B，如圖1所示。

2 地質雷達檢測

2.1 測線布置

本次檢測采用瑞典MALACUII型地質雷達，配500M天線，分別在左邊墻、左拱腰、拱頂、右邊墻、右拱腰布置5條測線，測線布置如圖2所示。其中左、右邊墻離地面高約2.0m，左、右拱腰離地面高約5.0m，拱頂測線離地面高約7.0m。

2.2 檢測結果

板可隧道地質雷達探測剖面如圖3所示。由雷達檢測結果可知，板可隧道上行線YK429+040～YK429+095區段襯砌整體狀況較好，支護（襯砌）背后主要缺陷是局部二襯脫空或膠結不密實，具體缺陷情況如下頁表1所示。

3 數值分析

3.1 數值模型建立

根據雷達檢測結果可知，板可隧道襯砌主要病害是脫空或膠結不密實，且主要發生在拱頂和拱腰位置，脫空部位襯砌厚度約0.2m。為分析襯砌局部脫空對襯砌結構的穩定性影響，本文采用MIDASGTSNX有限元分析軟件對隧道襯砌受力情況進行分析。

隧道襯砌受力數值模型如圖4所示，局部脫空模擬如圖5所示。采用荷載-結構法建立模型，其中隧道初期支護和二次襯砌均采用平面應力單元模擬，二者之間的接觸采用節點耦合進行模擬，初期支護與圍巖之間的作用力采用曲面彈簧模擬。模型參數取值如表2所示。

根據《公路隧道設計規范第一冊土建工程》（JTG3370.1-2018），深埋隧道四級圍壓的垂直均布壓力和水平均布壓力分別以式（1）、式（2）進行計算。具體計算結果如表3所示。

3.2 分析工況

本次分析共設置五種工況，其中局部脫空尺寸統一設置為0.2m（高）×2m（長），具體工況如下：

工況一：無脫空;

工況二：拱頂脫空;

工況三：右拱腰脫空;

工況四：拱頂+右拱腰脫空;

工況五：拱頂+左拱腰+右拱腰脫空。

3.3 數值模擬結果

通過進行有限元數值分析，對應各分析工況的二次襯砌結構vonmises應力如圖6～10所示。其中，圖6為無脫空工況，圖7為拱頂脫空工況，圖8為右拱腰脫空工況，圖9為拱頂+右拱腰脫空工況，圖10為拱頂+左拱腰+右拱腰脫空工況。

（1）由圖6可知，當襯砌無脫空時，二次襯砌的最大vonmises應力位于兩側邊墻位置，大小為12.43MPa。

（2）由圖7可知，當拱頂存在脫空時，二次襯砌的最大vonmises應力仍然位于兩側邊墻位置，大小為12.40MPa，可見拱頂脫空對襯砌結構受力影響范圍較小。

（3）由圖8可知，當右拱腰存在脫空時，二次襯砌的最大vonmises應力位于右拱腰脫空位置，大小為19.74MPa，相比無脫空工況，增大了約58.8%。

（4）由圖9可知，當拱頂和右拱腰同時存在脫空時，二次襯砌的最大vonmises應力位于右拱腰脫空位置，大小為19.62MPa，相比無脫空工況，增大了約57.8%。

（5）由圖10可知，當拱頂、左拱腰、右拱腰同時存在脫空時，二次襯砌的最大vonmises應力位于左、右拱腰脫空位置，大小為19.60MPa，相比無脫空工況，增大了約57.7%。

4 結語

通過對板可隧道襯砌質量進行雷達檢測，并結合數值分析結果，得到如下結論：

（1）拱頂位置脫空對結構的整體受力影響較小，主要影響脫空部位的襯砌混凝土受力。

（2）拱腰位置脫空將顯著影響襯砌結構整體受力，襯砌最大vonmises應力由邊墻位置轉移至拱腰脫空位置，且當脫空尺寸達0.2m（高）×2m（長）時，最大vonmises應力增加約58.8%。

（3）隧道襯砌結構對拱腰部位的脫空最敏感，在隧道日常養護中，應加強對拱腰部位病害的檢查，發現襯砌產生結構性裂縫時，要及時進行相關檢測工作。

在對板可隧道進行檢測的項目中，結合地質雷達探測和數值分析的手段，為病害的影響程度及后期處治方案設計提供了直觀的數據支撐，可為類似工程提供參考。

參考文獻：

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