襯砌空洞對隧道結構安全性的影響規律研究

王應球

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

在山地路線修建的鐵路基礎設施難免需要隧道結構來使其連接起來,而隧道結構的設計和施工是一項十分復雜的工作,在施工過程中往往會由于各種不可控的因素,產生大量隧道結構的缺陷和病害,其中襯砌背后的空洞就是最常見的隧道病害[1-2]。

襯砌空洞病害會給隧道結構帶來襯砌破裂、混凝土破壞等一系列的問題,降低隧道結構的安全性,嚴重影響隧道內行車的安全。而隧道作為一種地下結構,當其發生或者存在病害時,一般是比較難以進行及時的檢測或監測的[3-4]。因此有必要研究襯砌空洞對隧道結構各個方面的影響規律,揭示襯砌空洞的致災機理,及時提出有效的修復手段,保證隧道結構整體的安全性[5]。

針對隧道內襯砌空洞病害,國內外學者對此已經進行了一系列的研究。孫壽榜等[6]為了研究隧道及襯砌空洞參數對襯砌結構內力的影響規律,結合探地雷達的無損檢測手段,建立了帶襯砌空洞病害的隧道結構數值模型,研究了埋深、空洞深度及距二次襯砌的距離、二次襯砌厚度這四個參數對結構受力的影響,并進行灰關聯分析,結果表明空洞深度對襯砌部件受力的影響最大。鄧皇根[7]針對不同形式的組合襯砌空洞,結合Midas GTS NX軟件對含襯砌空洞病害的隧道結構進行數值模擬,建立三種不同組合的空洞隧道模型,研究了組合病害對隧道結構受力和安全系數的影響規律,研究表明,組合空洞會使襯砌結構的受力發生很大的變化,并且減低隧道結構的安全系數,最為危險的組合空洞形式是右拱腳(30°)+ 右拱腰(30°)。張素磊等[8]針對公路交通隧道內襯砌結構的空洞病害,通過整理和匯總大量現有公路隧道的無損檢測資料,對公路交通隧道內襯砌空洞病害的特征參數進行了總結,包括縱向長度、圍巖等級、徑向高度等,并在此基礎上,研究了空洞各個特征參數的變化對襯砌結構受力的力學特性的影響規律,研究的成果為襯砌空洞病害的治理提供了理論依據。

本文基于FLAC 3D有限差分軟件,建立六種不同工況下的隧道襯砌空洞數值模型,為無空洞和襯砌空洞位置分別為拱頂、拱肩、邊墻、拱腳和底板。通過對比不同位置襯砌空洞下隧道模型的變形位移、應力分布特征、最大主應力和最小主應力數值特點,研究了襯砌空洞對隧道結構安全性影響規律。

1 隧道襯砌空洞計算模型

采用有限差分軟件FLAC 3D建立含襯砌空洞病害的隧道結構數值模型,研究襯砌空洞對隧道襯砌結構受力的影響規律。所選取的隧道斷面如圖1所示。該隧道斷面的形式為三心圓形,橫向的隧道寬度為13.6 m。

圖1 三心圓形隧道斷面圖(m)

建模時,采用空模型來模擬隧道的開挖施工過程和襯砌背后的空洞,隧道結構四周的土體和巖體采用摩爾-庫侖模型模擬,施工后的支護結構采用各向同性彈性體來模擬。同時,采用全斷面開挖工法來模擬隧道結構的施工過程,其簡化后的建模流程如圖2所示。

圖2 建模流程圖

在對含襯砌空洞病害的隧道結構建模時,選用Ⅳ級圍巖,其圍巖的相關參數按照鐵路隧道規范選取,為了充分考慮結構大小局限性對計算分析結構的影響,選取的模型長、寬、高分別為40 m、100 m、100 m。模型中的初期支護和二次襯砌的相關參數選取如表1所示。

表1 計算模型材料參數選取表

隧道結構的襯砌空洞具有多樣性,主要是由于其出現的位置存在不同。為了模擬不同位置出現的襯砌空洞病害,對比研究其對隧道襯砌結構受力的影響,一共建立了五種不同襯砌脫空的數值模型,襯砌空洞位置分別為拱頂、拱肩、邊墻、拱腳和底板。同時為了進行對比,建立無襯砌空洞的隧道結構模型。所以一共有六種工況下的隧道數值模型,如圖3所示。

(a)無空洞

在前述模型基礎上,進行含襯砌空洞病害的隧道結構數值模型的建立,同時在進行網格劃分時,要滿足計算的要求。如圖4所示為網格劃分后的隧道結構模型圖。在進行計算前要考慮初始應力場的存在,即要先對結構模型施加重力的作用,并選取施加重力后的模型狀態作為計算的初始狀態。

圖4 網格劃分后隧道結構模型圖

2 變形位移結果分析

隧道結構的變形位移對結構的受力特性和安全有著直接的影響,為了保證隧道結構的安全性和行車的安全性,研究不同空洞對隧道襯砌結構的影響規律,提取模型計算結果中的變形位移結果是十分有必要的。表2所示為運營時五種空洞工況下隧道結構的變形位移數值匯總;圖5所示為運營時五種空洞工況下隧道結構的最大變形位移數值曲線。

表2 變形位移數值匯總表(mm)

圖5 五種空洞工況下隧道結構的最大變形位移數值曲線圖

由表2以及圖5可知:

(1)圍巖發生最大水平位移和最大豎直位移的工況為當空洞位于拱頂時,其數值分別為4.741 7 mm和21.440 0 mm。通過這些最大值可以看出,相比于其他四種工況,當空洞位于拱頂時對隧道結構的變形位移影響最大。

(2)排除空洞位于邊墻這一工況,其余四種工況中最大豎向變形位移均大于最大水平變形位移。

(3)五種工況下的襯砌空洞,最大水平、豎向變形位移值均出現在其四周圍巖處。

3 應力結果分析

當隧道結構中襯砌背后出現空洞病害時,會改變隧道和周圍圍巖的受力特性,打破其原有的力學平衡。為了更好地掌握隧道結構和襯砌結構的力學特性,了解空洞對隧道結構和襯砌結構的受力影響,提取模型計算結果中的應力數值進行分析是十分有必要的。

六種工況下最大主應力、最小主應力以及其存在的位置數據匯總如表3、表4所示,同時表中也比對分析了五種空洞工況下數值和無空洞工況數值的變化。由表3～4可知,六種工況最大主應力的出現位置基本都位于拱頂和拱肩;六種工況最小主應力的出現位置基本都位于拱肩和邊墻。六種工況最大和最小應力數值的變化曲線如圖6所示。

表3 最大主應力匯總表(Pa)

表4 最小主應力匯總表(Pa)

(a)最大主應力

由圖6可知,六種工況下,當拱頂發生空洞時,其最大主應力數值最大;當邊墻發生空洞時,其最小主應力數值最大。

4 測點分析

選取隧道襯砌上不同部位設置一定數量的測點,提取每個測點的應力計算結果,再進行對比分析,可以更好地進行橫向比較,突出空洞位置變化對隧道襯砌結構應力的影響。隧道橫斷面上各測點的布置圖如圖7所示,一共選取8個測點,每個測點的位置詳細描述如圖8所示。

圖7 隧道橫斷面上各測點的布置圖

圖8 各測點的位置詳細描述圖

圖9和圖10分別為8個測點的最大主應力曲線圖和最小主應力曲線圖。由圖9可知,所有測點中,拱頂發生空洞時拱頂處的測點應力數值最大,且通常在出現空洞的位置產生應力變化,而其他測點的數值則一致;由圖10可知,底板發生空洞時其測點6和無空洞時測點7的數值比較小。

圖9 8個測點的最大主應力曲線圖

圖10 8個測點的最小主應力曲線圖

5 結語

本文基于FLAC 3D有限差分軟件,建立不同工況下的隧道襯砌空洞數值模型,通過對比不同位置襯砌空洞下隧道模型的變形位移、應力分布特征、最大主應力和最小主應力數值特點,研究了襯砌空洞對隧道結構安全性影響規律,主要結論如下:

(1)圍巖發生最大水平位移和最大豎直位移的工況為空洞位于拱頂時。相比于其他四種工況,空洞位于拱頂時對隧道結構的變形位移影響最大。

(2)除空洞位于邊墻這一工況,其余四種空洞工況中最大豎向變形位移均大于最大水平變形位移。五種空洞工況下的襯砌空洞,最大水平、豎向變形位移值均出現在其四周圍巖處。

(3)無空洞工況下,襯砌結構中拱頂、拱肩受到的是拉應力且拱頂處最大;在其余五種空洞工況下,對襯砌影響范圍從大到小依次為拱肩、邊墻、拱腳、底板、拱頂;空洞處應力集中從大到小依次為拱頂、邊墻、拱腳、底板、拱肩;五種空洞工況對空洞位置附近的應力狀態都有很大的改變。

(4)無空洞工況下,拱肩和邊墻內側這兩處的壓應力最大;會改變空洞附近襯砌應力狀態的工況為拱肩、邊墻、拱腳、底板;五種空洞工況對空洞位置附近的應力狀態都有很大的改變。