隧道施工因素對襯砌結構安全性影響評價研究*

向 龍，田志宇，王 俊，唐 銳，李世琦，聶 亮，何 佳

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國經濟的發展，地面空間有限，隧道與地下工程發展迅速。大部分隧道結構設計年限為100年，對隧道結構承載力、耐久性等提出了更高的要求。然而，受地質條件、地下水腐蝕及鈣化、氣候條件、設計、施工、運營管理等因素影響，隧道病害越來越多，部分隧道在建設過程中或運營幾年后就出現開裂、掉塊、變形、滲漏水等病害。目前國內隧道建設主要采用爆破法，機械化程度不足，施工工序繁多，存在不少潛在危險源，在施工過程中，易形成施工缺陷，引起隧道病害。這些病害影響隧道作為快速安全交通通道的功能，且維修加固成本高，存在嚴重的安全隱患。

近年來，眾多學者通過理論與數值分析、現場原位試驗及室內相似模型試驗等方法，對隧道施工缺陷進行研究。王敏等[1]對黃土隧道襯砌背后空洞進行平面彈塑性計算，分析不同位置、不同大小的空洞及空洞群對結構各截面受力及位移的影響；劉海京等[2]研究了隧道襯砌背后空洞對其變異的影響；佘健等[3]通過相似模型試驗法研究了不同應力場下隧道變異特征并提出相應加固措施；宋瑞剛等[4]針對鐵路運營隧道病害檢測結果，利用地層結構法分析了襯砌背后空洞對隧道結構安全性的影響；張偉等[5]分析了公路隧道襯砌裂縫成因，并運用數值模擬進行驗證；姚鐵軍等[6]分析了隧道襯砌裂拱機理，并總結出整治措施。本文結合隧道施工建設中易出現的襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、襯砌混凝土強度不足、初期支護鋼架間距不足、襯砌鋼筋層間距不足等施工質量問題進行數值模擬計算，分析評價各缺陷因素對隧道結構安全性和穩定性的影響。

1 數值模擬計算

以兩車道公路隧道為模型，對V級圍巖鋼筋混凝土襯砌及素混凝土結構進行荷載結構法計算，均按JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》計算方法對施工質量問題進行數值模擬計算分析研究。所有計算均由基于通用有限元程序ANSYS和面向對象設計語言.net開發的隧道全自動結構計算軟件V2.0完成。

田志宇等[7-11]在相關文獻中推導了隧道結構安全系數的計算公式，本文不做贅述。

1.1 結構計算參數

結構設計參數如表1所示。

表1 襯砌支護參數 cm

對V級圍巖鋼筋混凝土襯砌及素混凝土襯砌結構進行計算，主要材料為巖土、支護結構(混凝土、鋼筋)，相應材料參數按《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》、JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》取值，圍巖等級為V級，巖土容重γ為18.5kN/m3,計算摩擦角φc為40°，初期支護(二次襯砌)彈性抗力系數k為150×103(180×103)kPa/m，巖體修正質量指標(BQ)為180。支護材料參數如表2所示，其余參數按規范取值。

表2 支護材料參數

1.2 二次襯砌計算荷載

二次襯砌為V級圍巖支護結構，側壓力系數λ為0.36，隧道垂直壓力q為188.81kN/m2，隧道側壓力e為 67.22kN/m2。參照《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》，Z5型二次襯砌承擔總荷載的65%，初期支護承擔總荷載的35%。

1.3 計算結果

荷載作用下Ⅴ級圍巖鋼筋混凝土結構計算結果如圖1所示。由圖1可知，Z5型鋼筋混凝土二次襯砌安全系數為4.6～17.3，拱頂、拱腳處安全系數相對較小，拱腰、拱肩、仰拱處安全系數相對較大。

圖1 鋼筋混凝土結構安全系數

2 襯砌背后空洞對結構安全性的影響

隧道襯砌背后接觸狀態可分為接觸密實、接觸松散和空洞3種情況[12]，襯砌背后接觸松散和空洞通常會導致襯砌背后約束減少或局部喪失。宋瑞剛等[4]對襯砌背后空洞及接觸問題進行了研究；王述紅等[13]對不同位置空洞條件下隧道破壞模式進行試驗研究，得出不同位置空洞時隧道的破壞模式、破壞順序等規律。本文采用荷載結構法對襯砌背后空洞、接觸松散進行模擬計算。

2.1 背后空洞計算分析

通過對隧道Ⅴ級圍巖支護結構進行模擬計算，可知隧道拱頂、拱腳處彎矩最大，結構安全系數最小，故本文僅對隧道不利位置拱頂、拱腳進行空洞模擬計算分析。空洞計算模型如圖2所示，計算結果如圖3所示。

圖2 支護結構空洞計算模型

圖3 支護結構空洞安全系數

二次襯砌在厚度、配筋相同情況下，拱頂處彎矩大，拱腳處圓弧半徑小，應力集中、彎矩大，安全系數最小。可采取增加拱頂、拱腳厚度或加強鋼筋等措施進行結構優化，以防止長期地壓作用下拱頂、拱腳被拉裂。

由圖3可知，Ⅴ級圍巖鋼筋混凝土襯砌最小安全系數為4.60，拱頂有空洞時為4.21，拱腳有空洞時為3.39，說明拱腳有空洞時結構更不安全；受空洞影響下結構安全系數高低排序為：無缺陷>拱腰空洞>仰拱空洞>拱頂空洞>拱腳空洞；空洞安全性受地質條件、空洞大小、地下應力分布、拱頂沖擊荷載等影響較大，通過計算，拱頂和拱腳處彎矩最大，安全系數最小，背后空洞會導致結構彎矩增大，安全系數進一步降低。

2.2 背后接觸松散計算分析

根據規范，V級圍巖彈性抗力系數取100～200MPa/m，圍巖級別越高，彈性抗力系數越小。襯砌背后接觸松散可通過減小彈性抗力系數進行模擬，選取50～200MPa/m彈力抗性系數進行計算分析，結果如表3所示。

表3 彈性抗力系數對結構安全性的影響

由表3可知，彈性抗力系數減小時，對結構軸力影響不大，但由于結構受到的圍巖約束減弱，導致彎矩增大，結構安全系數降低；襯砌拱腳部位安全系數較拱頂處略大，當圍巖彈性抗力系數由200MPa/m降低至50MPa/m時，拱頂安全系數從5.0降低至1.9，拱腳安全系數由5.3降低至2.5，均降低50%～60%，說明襯砌背后接觸松散對結構安全性影響極大；圍巖越差，背后空洞或接觸松散越易形成，對于地質極差或背后因噴射混凝土不密實形成松散圈，需進行注漿加固等處理，確保結構和巖層緊貼密實。

3 襯砌厚度對結構安全性的影響

計算分析襯砌厚度對結構安全性的影響，結果如表4所示。

表4 Z5襯砌厚度對結構安全性的影響

由表4可知，鋼筋混凝土襯砌結構厚度從0.45m降低至0.25m時，拱頂安全系數從4.6降低至4.0，降幅約13%，拱腳安全系數從5.1降低至2.8，降幅約45%，說明襯砌厚度對結構安全系數影響較大，且對拱腳處的影響更顯著。素混凝土襯砌結構厚度從0.45m降低至0.25m，拱頂安全系數從1.4降低至1.1，降幅約21%；拱腳安全系數由1.4降低至0.8，降幅約43%，降低幅度與鋼筋混凝土工況相當。鋼筋對增強結構安全性作用明顯，相同情況下，二次襯砌有配筋的安全系數約為沒有配筋的3.5倍。

4 襯砌混凝土強度對結構安全性的影響

計算分析混凝土強度對結構安全性的影響，結果如表5所示。由表5可知，鋼筋混凝土工況下，混凝土強度等級由C40降低至C15時，拱頂安全系數從5.1降低至4.3，說明該工況下，拱頂處安全性受混凝土強度影響不明顯；拱腳安全系數由6.0降低至3.5，降幅約42%，說明拱腳部位受混凝土強度影響更顯著。素混凝土工況下，混凝土強度等級由C40降低至C15時，拱頂、拱腳處安全系數變化規律基本一致，均從1.7降低至1.1，降幅約35%。說明沒有配筋時，拱頂部位安全性很大程度上靠提升混凝土強度來保證，也進一步說明配筋可有效保障結構安全。素混凝土結構中混凝土強度降低對結構安全影響更大。

表5 Z5結構混凝土強度對結構安全性的影響

5 襯砌鋼筋層間距對結構安全性的影響

現場施工中普遍存在對鋼筋層間距不夠重視的問題，保護層厚度不足，對結構耐久性影響較大；保護層過厚，會增大結構開裂性，且直接導致鋼筋層間距減小，降低結構安全性。計算分析保護層厚度對結構安全性的影響，結果如表6所示。

表6 保護層厚度對結構安全性的影響

Ⅴ級圍巖結構二次襯砌厚度為45cm，保護層厚度為5cm，鋼筋層間距約35cm，在正常工況計算下，拱頂安全系數為4.6。由表6可知，當保護層厚度逐漸增加至20cm，鋼筋層間距減小至25cm時，拱頂安全系數從4.6降低至3.4，降幅約26%；拱腳安全系數從5.1降低至3.9，降幅約24%。拱頂、拱腳安全系數變化規律基本一致。襯砌鋼筋層間厚度對結構安全性影響較大，現場鋼筋層間距是施工中難以控制和易忽略的檢查點，因此應引起高度重視，確保鋼筋層間距滿足設計要求。

6 初期支護鋼架間距對結構安全性的影響

V級圍巖鋼架間距設計為0.8m，采用I18，對初期支護結構中0.6～1.2m鋼架間距進行數值模擬，計算結果如表7所示。

表7 鋼架間距對結構安全性的影響

由表7可知，在鋼架間距0.8m工況下，初期支護結構安全系數為2.8，加密鋼架間距至0.6m時，結構安全系數增加至3.4，鋼架間距調整為1.2m時，結構安全系數降低至2.1，降幅達38%，說明鋼架間距對結構安全性系數影響較大。

7 結語

1)結構安全影響一般為多重因素疊加作用，通過計算背后接觸松散、結構厚度等工況，得到各缺陷對結構影響按大小排序為：背后接觸松散>結構厚度>鋼筋層間距>結構強度>局部空洞>鋼架間距。

2)襯砌背后空洞及背后松散對結構安全性影響極大，施工中應盡可能減少初期支護與圍巖間的空隙和空洞。施工后對于背后空洞、背后噴混凝土不密實形成松散圈及地質極差等情況務必進行空洞處理及圍巖松散圈注漿加固處理。

3)隧道施工中時常忽略鋼筋混凝土結構中鋼筋層間距及箍筋施工質量，通過計算可知，襯砌中鋼筋層間距對隧道結構安全系數影響極大，施工中應嚴格控制其層間距、箍筋綁扎質量等。

4)拱頂和拱腳彎矩大，安全系數最低，設計及施工中宜采取加強拱頂及拱腳厚度、加強鋼筋及抗拉錨桿布置等措施優化結構。

本文主要對公路兩車道V級圍巖結構進行計算，但按規范進行常規計算，具有一定片面性，特殊地質及地應力情況下應進行特殊研究分析。