分析高水壓下襯砌背后空洞對結構受力的影響

朱宗軍

摘要：在我國交通行業的工程建設中，襯砌這一永久性支護結構不僅能夠有效保證高速公路以及鐵路等交通方式的運行安全，還能夠對整個隧道的使用壽命和期限產生最直接的影響。背后空洞是襯砌在使用過程中比較常見的一種病害故障，本文以隧道襯砌的背后空洞現象為主要研究對象，著重對高水壓下襯砌背后空洞對結構受力產生的影響進行分析，旨在通過保證襯砌結構的質量和穩定性來促進我國交通行業的進一步發展。

關鍵詞：背后空洞;隧道襯砌;高水壓

前言：交通行業在現代社會的發展過程中發揮著重要的作用，無論是城市之間的經濟聯系、企業之間的貨物運輸還是人們的日常出行，都需要依靠交通行業來實現。也正是因為這種原因，現階段交通工程的建設質量越來越受到人們的關注。隧道襯砌主要應用于我國的高速公路工程以及鐵路工程建設當中，要想對高水壓下襯砌背后空洞對結構受力的影響進行分析，首先就要了解隧道襯砌空洞病害的成因及特點。

一、隧道襯砌

（一）隧道襯砌的具體含義

在修建高速公路以及鐵路等交通工程的過程中會涉及到一些地形地勢比較復雜的地區，而為了保證道路工程的修建能夠滿足交通運輸以及經濟聯系的需求，通常會在這些地勢條件比較復雜的地區修建隧道來實現道路的建設。而在這個過程中，隧道襯砌作為能夠有效支撐隧道的空間，并保證隧道結構穩定性的重要結構物，是需要在整個隧道工程的施工建設過程中重點注意的。在實際修建隧道襯砌的過程中需要滿足強度、耐久性、抗凍、抗滲以及抗腐蝕性等方面的具體要求[1]。

（二）隧道襯砌背后空洞產生的主要原因

在實際的施工過程中，襯砌容易因為一些因素的影響而產生裂損的情況，這種情況也被稱為背后空洞。而造成襯砌容易出現背后空洞的主要原因主要體現在混凝土收縮、混凝土澆筑期間技術使用不當以及采用的地壓理論及計算方法不符合實際三個方面[2]。隧道襯砌主要是以混凝土作為主要的施工原料的，在實際施工的過程中為了減少因背后空洞的產生而對隧道的整體質量產生影響，就需要對混凝土的澆筑過程進行更加嚴格的管理和控制。

（三）隧道襯砌背后空洞的病害特點

背后空洞的特點主要包括三個方面，空洞出現的因素多種多樣、成因不確定以及空洞引起的襯砌破壞具有發展性。我國不同地區的地形地勢存在著一定的區別，對于不同地區的隧道襯砌來說，由于其受到的各種外力因素以及人為因素的影響而導致的空洞的出現原因呈現出多樣性的特點。而由于空洞的出現本身就會破壞隧道結構的穩定性和安全性，如果不能夠及時對空洞采取補救的措施，就會使得襯砌破壞的范圍逐漸擴大。

二、高水壓下襯砌背后空洞對結構受力產生的影響具體分析

隧道襯砌本身是能夠為隧道的結構穩定性和安全性提供保障的重要結構物，背后空洞的病害是目前影響隧道襯砌質量的主要病害之一。對襯砌背后空洞對結構受力產生的影響進行分析能夠為襯砌的保護以及病害治理提供一定的思路。在對高水壓下襯砌背后空洞對結構受力產生的影響進行分析時，主要可以從以下幾個方面來著手：

（一）空洞存在對圍巖應力分布產生的影響

圍巖應力是道路工程在實際的施工過程中經常會存在的一種能夠對道路工程的結構穩定性產生影響的力量數值。在無水壓的情況下，存在空洞的狀態不同會產生不同的圍巖最大主應力場。而當在高水壓的環境下時，由于隧道開挖以及支護的施工都會對圍巖應力的狀態產生一定的影響，在這種情況下，不同的空洞狀態也會對在無水壓情況下產生的不同圍巖應力場的數值產生一定的影響。拱頂空洞、邊墻空洞以及拱底空洞是目前最常見的三種空洞形態。

拱頂空洞對圍巖應力場的影響主要是通過對上覆荷載的傳遞路徑進行改變，進而使得空洞上覆的圍巖應力釋放出來，導致原本存在于空洞上方圍巖的豎向應力減小，向周圍以及拱底擴散。而這種空洞狀態在發展的過程中會使得邊墻區域的圍巖應力逐漸增大，對仰拱區域的應力場產生的影響比較小。

邊墻空洞狀態的出現是會對圍巖應力以及空洞區的襯砌產生影響最大的一種空洞形態。這種空洞在發展的過程中不僅會破壞水平應力場的分布情況，還會使得空洞區的襯砌逐漸纖細變形而使得空洞對整個隧道的影響和破壞程度逐漸增大。

拱底空洞則由于其發生空洞的位置對整個隧道的結構不會產生較大的影響，因而也不會對整個拱部的圍巖應力場的分布產生影響。

（二）空洞存在對水壓的折減作用

地下水是在整個隧道進行開挖的過程中需要重點注意的會影響隧道結構穩定性以及質量的因素之一。而由于襯砌在實際的施工過程中需要保證隧道整體結構的穩定性和安全性，因而其具有較高的抗滲能力。這樣就會導致隧道在實際的施工修建過程中因為改變了地下水原本的排泄渠道而使得圍巖應力的內滲流場也產生一定的變化。而在這個過程中如果出現了空洞，水壓在原本發生折減作用的過程中就會因折減系數的變化而對二次襯砌以及襯砌結構的穩定性產生影響。而空洞的存在對水壓的折減作用也會依據不同的空洞形態而產生不同程度的影響。具體來說，拱頂空洞會使得空洞的拱頂、周邊拱肩、拱腰等部位的折減系數產生比較明顯的變化;仰拱底部的空洞則主要會使各個位置的水壓折減系數明顯減小;邊墻空洞則由于其非對稱性而導致空洞兩側對水壓產生的折減作用也不同。

（三）空洞位置對二襯受力的影響

空洞的出現和存在對整個隧道產生的最嚴重的影響就是會通過影響圍巖應力來使得襯砌結構容易出現變形的情況，進而影響隧道襯砌結構的穩定性。二次襯砌是在整個隧道施工過程中對初次支護進行混凝土模型的制作和澆筑，進而提高整個隧道襯砌的質量的施工工序。而在二次襯砌的過程中，各種接卸設備的應用不僅能夠對整個施工的過程起到監控和管理的作用，還能夠對襯砌的排水系統以及外觀等方面起到優化和加固的作用。而在這個過程中，空洞的存在會導致原本就在高水壓下的二次襯砌結構中的拱頂、拱底、拱腰以及邊墻等位置受到的彎矩呈現出更加明顯的變化，而這種變化不僅會導致圍巖應力的變化，還會因空洞對二次襯砌中的軸力的影響而增大襯砌變形的趨勢。

而通過前面的分析也可以得知，不同的空洞形態和位置對圍巖應力以及水壓的折減作用產生的影響也有一定的區別，在對背后空洞的危害以及防治措施進行研究的過程中，要重點針對不同的空洞形態對隧道襯砌產生的影響不同來采取不同的調整和優化措施，這樣才能夠保證隧道襯砌的質量，進而為整個道路工程的結構穩定性和安全性提供保證。

結論：綜上所述，背后空洞會對整個隧道襯砌的結構穩定性和安全性產生重要的影響。在對高水壓下襯砌背后空洞對結構受力的影響進行分析之后可以得知，要想保證隧道襯砌的結構穩定性，不僅要在施工建設的過程中對背后空洞的病害進行及時的防治，還要與不同的工程建設實際情況相結合，選擇更有利的防治方案和處理辦法。這樣才能在保證結構質量的同時也能夠提高整個隧道的安全性。

參考文獻：

[1]車增軍.直墻式隧道襯砌背后空洞對結構安全性影響研究[D].青島理工大學，2020.

[2]余東洋.鐵路隧道襯砌背后空洞缺陷安全性評價及處治對策研究[D].中國鐵道科學研究院，2019.