富水區(qū)隧道二次襯砌混凝土施工冷縫致災(zāi)機(jī)理研究

董武

中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，安全監(jiān)督管理局，北京100844

鐵路隧道二次襯砌混凝土采用模板臺(tái)車分窗澆筑，混凝土自下而上進(jìn)行填充。實(shí)際施工過程中兩次澆筑間隔過長(zhǎng)導(dǎo)致混凝土層間結(jié)合不緊密進(jìn)而產(chǎn)生施工冷縫。二次襯砌混凝土單次澆筑縱向長(zhǎng)度與模板臺(tái)車長(zhǎng)度一致，因此只要出現(xiàn)施工冷縫，其縱向長(zhǎng)度必然與模板臺(tái)車長(zhǎng)度（12 m）相當(dāng)，且會(huì)與隧道環(huán)向施工縫相交。

二次襯砌施工冷縫在外觀上只是一條細(xì)縫，實(shí)質(zhì)上是先后澆筑的混凝土之間的一個(gè)結(jié)合面。結(jié)合面處混凝土黏結(jié)力不足，導(dǎo)致二次襯砌結(jié)構(gòu)整體承載能力降低，在圍巖荷載、地震力、水壓力等外力作用下存在掉塊隱患。隧道施工過程中主要通過優(yōu)化澆筑方式來防止冷縫產(chǎn)生。魏加志［1］分析了隧道二次襯砌混凝土冷縫病害成因，優(yōu)化了二次襯砌邊墻混凝土分層逐窗澆筑系統(tǒng)。梅源等［2］提出了二次襯砌混凝土滑槽逐窗入模澆筑技術(shù)、拱頂帶模注漿及防脫空監(jiān)測(cè)技術(shù)。龔成明等［3］提出了拱頂帶模注漿時(shí)襯砌厚度不足、空洞、掉塊防治技術(shù)。姬海東等［4］研制了集成帶壓入模、高頻振搗和數(shù)字化控制的新型隧道數(shù)字化襯砌臺(tái)車，提高了混凝土澆筑質(zhì)量。王耀東等［5］研發(fā)了隧道襯砌裂縫局部紋理處理算法，提高了襯砌裂縫檢測(cè)精度。趙鵬等［6］分析了獅子嶺隧道二次襯砌開裂掉塊成因，提出了錨注一體化解決方案。王志偉等［7］針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂掉塊和背后空洞缺陷，研制了聚酰胺類固化涂劑與單組分聚氨酯防護(hù)材料。張翠兵［8］介紹了鐵路隧道襯砌狀態(tài)檢測(cè)車的工程應(yīng)用效果和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)。陳望祺等［9］提出使用波紋鋼板套襯來解決施工冷縫等引起的襯砌掉塊脫落問題。

當(dāng)前的研究在施工期防止冷縫生成和運(yùn)營(yíng)期探測(cè)治理冷縫方面取得了豐碩成果，但對(duì)隧道冷縫與襯砌掉塊等病害之間的關(guān)聯(lián)性研究還有待提升，近年來頻繁出現(xiàn)的高壓富水隧道冷縫附近混凝土掉塊的原因也需進(jìn)一步研究。本文針對(duì)一運(yùn)營(yíng)中的高壓富水隧道冷縫附近混凝土掉塊情況，采用數(shù)值模擬方法分析其結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，為其他工程提供參考。

1 工程概況

該隧道結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合式襯砌帶仰拱，噴射混凝土、二次襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C25、C30，厚度分別為12、40 cm。隧道在運(yùn)營(yíng)過程中突發(fā)掉塊事故，掉塊區(qū)上部混凝土斷口整齊、光滑且近水平狀，從形態(tài)可判斷出上部混凝土斷口為施工冷縫，見圖1。下部斷口不平整且呈鋸齒狀，可能為二次襯砌結(jié)構(gòu)承載過高導(dǎo)致的破壞。掉塊區(qū)縱向長(zhǎng)度約11.5 m，高度最大3 m，且掉塊區(qū)二次襯砌背后存在空洞致使二次襯砌厚度不足。掉塊區(qū)隧道側(cè)溝可見4個(gè)縱向盲管的泄水口被異物堵塞，掉塊區(qū)對(duì)側(cè)縱向盲管缺少泄水口，兩側(cè)側(cè)溝內(nèi)水量很小。

圖1 二次襯砌混凝土掉塊脫落區(qū)域（單位：m）

隧址區(qū)在襯砌掉塊前出現(xiàn)了強(qiáng)降雨天氣。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測(cè)站（距離隧道進(jìn)口約2.5 km）降雨量統(tǒng)計(jì)，掉塊前1日降雨量達(dá)143.8 mm，且掉塊區(qū)位于巖溶水垂直滲流帶。

2 二次襯砌掉塊機(jī)理數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立與參數(shù)選取

通過有限元軟件建立實(shí)體模型（圖2），初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置接觸面contact174，模擬有防水板情況下初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間的相互擠壓和滑移；冷縫結(jié)合面、施工縫結(jié)合面設(shè)置接觸面contact174，模擬混凝土結(jié)合面之間的摩擦擠壓?；炷两Y(jié)構(gòu)采用彈性模型，圍巖采用Drucker?Prager彈塑性模型，模型兩側(cè)取4倍洞徑以消除邊界效應(yīng)，底部取2倍洞徑，埋深取140 m。模型沿隧道縱向取36 m，中間12 m設(shè)定為襯砌掉塊段。

圖2 數(shù)值模型

模擬計(jì)算時(shí)圍巖參數(shù)取TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］中Ⅲ級(jí)圍巖的中間值，見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

二次襯砌結(jié)構(gòu)冷縫采用接觸面進(jìn)行模擬，混凝土接觸面摩擦因數(shù)取0.35（完全鑿毛結(jié)合時(shí)為0.70）。冷縫脫落區(qū)一直延伸到施工縫處，故施工縫處也添加接觸面進(jìn)行模擬。假定施工縫按標(biāo)準(zhǔn)流程施工，施工縫處混凝土結(jié)合面摩擦因數(shù)取0.70。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，二次襯砌厚度不足區(qū)徑向深度取5 cm，采用生死單元模擬該處空洞。細(xì)部模型見圖3。

圖3 細(xì)部模型

由于襯砌掉塊前出現(xiàn)了暴雨到大暴雨、局部特大暴雨的強(qiáng)降雨天氣，且掉塊區(qū)的隧道排水功能受阻，因此本次計(jì)算考慮水壓力影響，水頭高度取結(jié)構(gòu)檢算中該襯砌能承受的極限值（約7.8 m）。

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 二次襯砌受力分析

掉塊區(qū)二次襯砌表面接觸壓力見圖4。二次襯砌表面接觸壓力最大值為1.65 MPa，出現(xiàn)在冷縫邊緣，遠(yuǎn)超一般Ⅲ級(jí)圍巖荷載。襯砌厚度不足區(qū)承受的荷載極小，荷載被轉(zhuǎn)移到冷縫處。冷縫處混凝土結(jié)合面的黏結(jié)強(qiáng)度原本就不足，冷縫處混凝土在集中荷載作用下可能發(fā)生破壞，存在朝隧道凈空一側(cè)脫落的傾向。

圖4 二次襯砌表面接觸壓力（單位：MPa）

二次襯砌表面剪應(yīng)力分布見圖5。可知：二次襯砌表面剪應(yīng)力最大值（3.37 MPa）出現(xiàn)在冷縫和施工縫的交界處；厚度不足區(qū)剪應(yīng)力已達(dá)10.8 MPa，均遠(yuǎn)超C30混凝土抗剪強(qiáng)度極限值1.1 MPa。

圖5 二次襯砌表面及厚度不足區(qū)剪應(yīng)力分布（單位：MPa）

施工縫、冷縫處混凝土結(jié)合面的相對(duì)滑移量見圖6。相對(duì)滑移量最大值（6.324 mm）出現(xiàn)在施工縫和冷縫相交處，說明此處為掉塊的起始點(diǎn)。

圖6 施工縫、冷縫處混凝土結(jié)合面的相對(duì)滑移量（單位：mm）

二次襯砌掉塊區(qū)混凝土第一主應(yīng)力見圖7。對(duì)比圖7和圖1可知，二次襯砌掉塊區(qū)混凝土第一主應(yīng)力最大值達(dá)到5.78 MPa，位于施工縫下端，超出C30混凝土極限抗拉強(qiáng)度（2.2 MPa）。第一主應(yīng)力集中區(qū)域呈三角形分布（圖7中紅圈），三角形界限為冷縫-施工縫-二者端點(diǎn)的連線。第一主應(yīng)力集中區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)二次襯砌掉塊區(qū)的位置和范圍基本吻合。

圖7 掉塊區(qū)混凝土第一主應(yīng)力分布（單位：MPa）

2.2.2 二次襯砌掉塊原因

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)混凝土脫落情況、數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以推斷二次襯砌掉塊機(jī)理為：①二次襯砌背后空洞造成襯砌厚度不足，荷載集中于厚度不足區(qū)邊緣，在冷縫附近二次襯砌表面形成了荷載集中的現(xiàn)象，且其數(shù)值遠(yuǎn)超一般圍巖荷載，本應(yīng)較為均勻且線性作用在二次襯砌表面的荷載卻由冷縫處集中承擔(dān)。②在集中荷載作用下二次襯砌背后空洞靠近冷縫處出現(xiàn)了剪應(yīng)力集中區(qū)，該處混凝土受到向隧道凈空側(cè)的推壓作用，有向凈空側(cè)脫落的傾向。與一次性澆筑成型相比，冷縫和施工縫兩處混凝土結(jié)合面黏結(jié)力本身就不足，其黏結(jié)力抵抗不了外荷載的剪切作用，使得冷縫-施工縫所圍成的混凝土區(qū)向凈空一側(cè)脫落，如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理

3 結(jié)論與建議

1）二次襯砌結(jié)構(gòu)冷縫常與環(huán)向施工縫相交，二者相交處成為承載薄弱區(qū)，在局部集中荷載作用下二次襯砌存在向隧道凈空處脫出的傾向，從而給鐵路隧道運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患。

2）應(yīng)重視防排水系統(tǒng)對(duì)隧道安全運(yùn)營(yíng)的影響，穩(wěn)定通暢的排水路徑是保證襯砌背后水壓力不出現(xiàn)局部集中的必要條件。隧道襯砌背后的防排水系統(tǒng)由于其隱蔽性，出現(xiàn)問題極難恢復(fù)至原有狀態(tài)，應(yīng)在建設(shè)期就將其做好做精。