不同圍巖條件對隧道襯砌應力影響分析

耿弈， 張文博， 唐剛， 賀壯壯

（中交二公局第四工程有限公司，廣東 深圳 518107）

0 引言

水工隧洞混凝土的裂縫問題是一個常見且難以解決的實際工程問題。混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫通常是諸多因素聯(lián)合作用下結(jié)果，水工混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫主要包括非荷載裂縫和荷載裂縫，而混凝土質(zhì)量差、水泥水化熱溫升、堿骨料反應、干縮、溫度、鋼筋腐蝕、荷載、地基變形等因素通常是引起這些裂縫的原因［1］。對于城門洞型的水工隧洞，雖然裂縫成因較多，但裂縫多是在拱頂、拱腰和邊墻的中間部位等位置產(chǎn)生，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種形式的裂縫，可分為不規(guī)則裂縫、斜裂縫、縱向裂縫、環(huán)向裂縫等。由于剪切、結(jié)構(gòu)的變形差異等原因通常會引起環(huán)向裂縫、斜裂縫；收縮變形、施工工藝不當導致混凝土質(zhì)量差、混凝土溫度應力等原因大都產(chǎn)生不規(guī)則裂縫；然而縱向裂縫的成因復雜，其產(chǎn)生有許多影響因素，從其規(guī)律分析，在深埋隧道中，縱向裂縫主要由應力變化引起［2，3］。

由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)后施工回填不密實或地下水滲透沖蝕通常會引起襯砌背后圍巖松散甚至空洞，由此造成圍巖側(cè)向抗力系數(shù)減小或側(cè)向壓力變大，經(jīng)驗認為襯砌背后圍巖松散甚至空洞或回填不密實是對隧洞穩(wěn)定性影響最大的主要原因之一，導致隧道建成后，出現(xiàn)不同程度的病害［4］。因此，研究襯砌結(jié)構(gòu)背后圍巖松散或回填不密實對隧道的安全圍護具有重大意義。

為研究不同的圍巖條件如地質(zhì)條件差、襯砌與圍巖間回填不密實或未進行回填灌漿等對隧道襯砌應力的影響，以某城門洞型的水工隧洞為背景，選取隧洞典型斷面進行了受力分析，研究了不同的圍巖彈性抗力系數(shù)、側(cè)向圍巖壓力對襯砌結(jié)構(gòu)應力的影響情況，并結(jié)合施工情況和工程特點對水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生的原因進行了綜合分析，為隧洞修補加固和運行管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概括

在水工隧洞進行襯砌結(jié)構(gòu)計算時，圍巖壓力通常包括垂直圍巖壓力和側(cè)向圍巖壓力兩部分，它們是決定無壓輸水隧洞的襯砌形式和襯砌結(jié)構(gòu)厚度的關(guān)鍵因素。由于無壓輸水隧洞需要在隧洞內(nèi)的水面上方要預留一定距離的凈空，因此在襯砌結(jié)構(gòu)計算中一般忽略隧洞的內(nèi)水壓力作用，即相當于按水工隧洞檢修期的荷載情況作為邊界條件。這種情況在無壓輸水隧洞的應用中也是不利的工作條件［5］。

圍巖彈性抗力是圍巖抵抗隧洞襯砌結(jié)構(gòu)朝著圍巖方向位移的承載能力。圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)貼合密實時，二者可共同承擔荷載，使襯砌截面應力減小。當襯砌結(jié)構(gòu)與周邊圍巖緊密貼合時，且襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)有足夠的圍巖厚度，且沒有不利的變位區(qū)時，可考慮圍巖彈性抗力的有利作用。如若隧洞襯砌與周邊圍巖結(jié)合不緊實，或是周邊圍巖非常破碎，或是回填注漿質(zhì)量差，此時能考慮的圍巖彈性抗力的有利作用須相應降低［6］。文中研究了不同圍巖彈性抗力系數(shù)與隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應力之間的關(guān)系。

對于無壓輸水隧洞側(cè)墻的襯砌結(jié)構(gòu)設計，當考慮了圍巖彈性抗力作用時，一般不再考慮側(cè)向圍巖壓力作用。同理，考慮了側(cè)向圍巖壓力作用時，則不再考慮圍巖彈性抗力作用。這是因為如果襯砌結(jié)構(gòu)受到較大的側(cè)向圍巖壓力時，襯砌結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的不是朝著圍巖方向而是遠離圍巖的位移，此時是不會有圍巖彈性抗力的產(chǎn)生。當襯砌結(jié)構(gòu)與周邊圍巖有脫空區(qū)或者貼合不緊實，或是圍巖較為破碎，或是回填灌漿質(zhì)量差時，此時應考慮側(cè)向圍巖壓力；如若在襯砌結(jié)構(gòu)和周邊圍巖存在一定程度的空隙，則所考慮的側(cè)向圍巖壓力的影響也將相應降低［7］。文中研究了不同的圍巖壓力大小與襯砌結(jié)構(gòu)應力之間的關(guān)系，針對施工中可能出現(xiàn)的不同工況，計算出不同各種不同的圍巖壓力對應的不同襯砌結(jié)構(gòu)應力，從而研究襯砌結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的各種力學現(xiàn)象。

圖1 計算模型（單位：mm）

圖2 計算截面編號

圓拱直墻式無壓隧洞，圍巖為Ⅳ～Ⅵ類，洞身凈寬B=4.2m，洞身凈高H=5.25m，頂拱內(nèi)半徑r’=2.1m，直墻高y=3.2m，洞身采用C25素混凝土且襯砌結(jié)構(gòu)厚度相同，圍巖重度24kN/m3，隧洞底板、側(cè)墻及頂拱的襯砌厚度相同，均為d=0.3m。不考慮圍巖彈性抗力，不考慮拱座轉(zhuǎn)角，按無水情況進行襯砌結(jié)構(gòu)受力的計算分析。

作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力標準值是根據(jù)SL 279-2016《水工隧洞設計規(guī)范》9.2.4條的式（1）、式（2）計算得來［8］。

2 襯砌影響分析

2.1 側(cè)向圍巖彈性抗力系數(shù)對襯砌結(jié)構(gòu)應力的影響

不同的圍巖條件對應不同的圍巖彈性抗力系數(shù)，其通常是通過荷載板試驗確定的，Ⅳ～Ⅵ類圍巖的取值范圍一般是0～500MPa/m［9］。為了分析不同圍巖彈性抗力系數(shù)的大小對襯砌結(jié)構(gòu)應力的影響，為便于計算分析，按照數(shù)量級依次遞減考慮，分別計算了圍巖彈性抗力系數(shù)k 取值為5E5、5E4、5000、500、50kN/m3和0kN/m3這6 種情況下城門洞型水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應力的變化情況。

考慮不同圍巖彈性抗力的各計算工況，具體如下：

工況A1：圍巖彈性抗力系數(shù)k=5E5，垂直圍巖壓力q=31.2。

工況A2：圍巖彈性抗力系數(shù)k=5E4，垂直圍巖壓力q=31.2。

工況A3：圍巖彈性抗力系數(shù)k=5000，垂直圍巖壓力q=31.2。

工況A4：圍巖彈性抗力系數(shù)k=500，垂直圍巖壓力q=31.2。

工況A5：圍巖彈性抗力系數(shù)k=50，垂直圍巖壓力q=31.2。

工況A6：圍巖彈性抗力系數(shù)k=0，垂直圍巖壓力q=31.2。

圖3 不同圍巖彈性抗力系數(shù)的襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩圖

圖4 不同圍巖彈性抗力系數(shù)的襯砌結(jié)構(gòu)的軸力圖

圖5 不同彈性抗力系數(shù)的襯砌結(jié)構(gòu)外緣應力曲線

圖6 不同彈性抗力系數(shù)的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)緣應力曲線

通過分析不同圍巖彈性抗力系數(shù)對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應力影響的計算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1） 隨著側(cè)壁圍巖側(cè)向抗力系數(shù)的增加，襯砌結(jié)構(gòu)彎矩逐漸減小，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力逐漸變大。反之，隨著圍巖側(cè)向抗力系數(shù)的減小，襯砌結(jié)構(gòu)彎矩逐漸變大，襯砌結(jié)構(gòu)的軸向力逐漸變小，此時襯砌結(jié)構(gòu)受力相當不利。

（2） 負彎矩的峰值均出現(xiàn)隧洞拱腰部位，而正彎矩峰值則隨著圍巖抗力系數(shù)的變化出現(xiàn)在隧洞拱頂部位。因而，襯砌結(jié)構(gòu)的外緣拉應力最大值一般出現(xiàn)在拱腳處附近，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)緣拉應力最大值一般出現(xiàn)在拱頂附近。同時，當周邊圍巖不能給襯砌結(jié)構(gòu)提供足夠的彈性抗力時，側(cè)壁邊墻與底板連接處附近將承受較大的拉應力值。

2.2 側(cè)向圍巖壓力對襯砌結(jié)構(gòu)應力的影響

自穩(wěn)條件好，開挖后變形迅速穩(wěn)定的圍巖，可不計圍巖壓力。為了分析不同側(cè)向圍巖壓力對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應力的影響，在不考慮圍巖彈性抗力的情況下，不同圍巖條件按照全部計入至忽略不計側(cè)向圍巖壓力遞減的原則考慮不同側(cè)向圍巖壓力的各計算工況，具體如下：

工況B1：垂直圍巖壓力q=31.2，側(cè)向圍巖壓力e=11.8。

工況B2：垂直圍巖壓力q=31.2，側(cè)向圍巖壓力e=8。

工況B3：垂直圍巖壓力q=31.2，側(cè)向圍巖壓力e=4。

工況B4：垂直圍巖壓力q=31.2，側(cè)向圍巖壓力e=0。

圖7 不同側(cè)向圍巖壓力的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖8 不同側(cè)向圍巖壓力的襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖

圖9 不同側(cè)向圍巖壓力的襯砌結(jié)構(gòu)外緣應力曲線

圖10 不同側(cè)向圍巖壓力的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)緣應力曲線

通過分析不同的側(cè)向圍巖壓力對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應力影響的計算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1） 從考慮側(cè)向圍巖壓力趨于向不考慮側(cè)向圍巖壓力時，即隨著側(cè)向圍巖壓力減小的過程，襯砌內(nèi)力曲線的將變得相對陡峭，說明此時襯砌結(jié)構(gòu)受力相對不均勻，主要表現(xiàn)在隧洞拱頂部位彎矩增加了約200%，而對于軸向力，該處軸力減少了約70%。

（2） 襯砌結(jié)構(gòu)的最大外緣拉應力一般出現(xiàn)在拱腳處附近，最大內(nèi)緣拉應力則一般出現(xiàn)在拱頂附近。

3 結(jié)語

（1） 當襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖存在脫空區(qū)域時，或者襯砌位移后形成脫空區(qū)，其無法接受到圍巖的抗力支撐約束，也無法承受垂直方向的圍巖壓力，此時襯砌結(jié)構(gòu)受力情況相當不利。

（2） 水工隧洞進行回填灌漿是十分必要的，對襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖之間進行回填灌漿是為了將襯砌與圍巖之間的空隙填實，使二者之間貼合緊密，以充分發(fā)揮圍巖的約束支撐作用，使襯砌和圍巖共同受力。

（3） 由于水工隧洞襯砌中圍巖提供的抗力，是通過二者間的注漿體傳遞而來的，為充分發(fā)揮圍巖抗力的有利作用，須保證回填灌漿的質(zhì)量。若回填灌漿質(zhì)量差且形成的注漿體松散甚至無法形成注漿體，則無法提供足夠抗力，并且會產(chǎn)生較大的變形，導致襯砌結(jié)構(gòu)中應力超過承載能力極限，從而導致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。