隱伏質量缺陷對運營公路隧道襯砌結構安全的影響研究

作者簡介：韋相云（1974—），高級工程師，高級經濟師，主要從事高速公路施工、建設及運營、養護、經營一體化管理及研究工作。

摘要：為評價運營公路隧道隱伏缺陷對襯砌結構安全的影響，文章依托實際工程案例，通過無損檢測手段分析了常見的隧道隱伏質量缺陷類型，并通過數值模擬手段，對缺陷狀態下的襯砌結構安全性進行了定量化評價分析。得到以下結論：公路運營隧道主要隱伏病害為襯砌脫空、襯砌厚度不足、鋼筋保護層厚度過大等3類；隱伏質量缺陷對結構安全系數的影響按照襯砌脫空、襯砌厚度不足、鋼筋保護層厚度過大依次降低；組合質量缺陷對結構安全性影響非常大，應重點關注該類病害。

關鍵詞：隱伏質量缺陷；運營公路隧道；襯砌結構；安全系數；安全評價

中圖分類號：U456.3⁺3

0 引言

公路隧道建設過程中會隱伏不同程度的施工質量缺陷，在后期運營過程中會對襯砌結構安全造成一定影響，現階段通過地質雷達探測等無損檢測手段可以提前發現部分缺陷，但如何評價隱伏缺陷對隧道結構安全的影響，一直是困擾隧道養護技術人員的難題。

針對運營階段的隧道結構安全評價方法，國內外學者進行了大量研究。《公路隧道養護技術規范》（JTG H12-2015）^[1]根據公路隧道表觀病害給出了定性分級的標準，洪平等^[2]采用層次分析法對鐵路運營隧道健康狀態進行了綜合評判，李云等^[3]采用模糊評價法對鐵路隧道襯砌健康狀況進行了評價，金煜皓等^[4]、胡群芳等^[5]采用模糊層次分析對隧道運營期結構健康狀況進行了評價；林志等^[6]提出了“隧道健康度”和“隧道健康度函數”的基本概念，建立了一種基于現場檢測數據的隧道襯砌結構技術狀況分段式量化評定方法；Park S.W.等^[7]提出了隧道襯砌結構技術狀況評定的缺陷指標法；羅鑫^[8]利用模糊綜合評價方法建立了公路隧道健康狀態的模糊綜合評價模型；楊建國等^[9]建立了隧道襯砌結構技術狀況的熵權物元評估模型；劉鵬舉等^[10]利用遺傳算法和BP神經網絡相結合的方法，建立了運營隧道襯砌結構安全評估模型。根據前人研究成果，層次分析法、模糊評價法、物元分析法、神經網絡法等評價方法均存在主觀性強、評價因子多、需要大量基礎數據學習的缺點，通過結構安全系數來評價襯砌結構狀態的方法更加客觀、直接。目前《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2016）^[11]和《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1-2018）^[12]中采用基于破損階段法的鋼筋混凝土結構偏心受壓構件的檢算方法，以安全系數是否滿足規范的規定值作為評價襯砌安全性的指標，但該評價方法主要是針對設計階段，運營階段的隧道結構受力環境更加復雜，需要具體情況具體分析。針對運營期隧道病害對結構安全影響，國內學者也進行了一定研究。周強^[13]研究了公路隧道襯砌背后空洞對結構安全的影響；張成平等^[14]研究了襯砌背后雙空洞影響下隧道結構的安全狀態；王華牢等^[15]研究了縱向裂縫對隧道襯砌結構安全評價；張義紅^[16]采用有限元法研究了病害對隧道結構安全性的影響；鄭陽焱^[17]研究了襯砌裂損對襯砌結構安全的影響；王光勇^[18]通過數值模擬研究了保護層厚度缺陷對襯砌結構安全的影響。

現有成果主要針對單一缺陷對襯砌結構安全的影響進行研究，鮮有研究組合缺陷對襯砌結構安全的影響，且普遍采用荷載-結構模型進行計算分析，無法客觀反映結構缺陷情況，而地層-結構模型更加貼近工程實際情況。本文依托工程案例，通過無損檢測，對某隧道襯砌背后缺陷情況進行了探測和分類，并針對常見的組合缺陷情況，通過Midas GTS NX軟件，建立地層-結構模型，對組合缺陷情況下的運營隧道襯砌結構安全情況進行了評估，研究成果可為類似運營公路隧道工程提供參考借鑒。

1 工程概況

岑水路均昌隧道施工涌水段CK7+700～CK8+100下穿斷層破碎帶，上覆巖土層依次為沖洪積土、殘坡積土、全-強風化花崗巖、中風化花崗巖等，地質剖面如下頁圖1所示。共設置有S3、S4、S5-T1等3種支護類型，具體如下頁圖2所示。

根據地質雷達檢測結果，均昌隧道施工涌水段主要存在襯砌脫空、襯砌不密實、鋼筋保護層厚度過大、襯砌厚度不足和圍巖不密實等5類病害。

2 數值模型的建立

根據檢測結果，選取若干典型斷面，采用Midas GTS NX有限元分析軟件，采用地層-結構模型，建立有限元計算模型。

2.1 模型尺寸

Ⅲ級圍巖模型：為消除邊界效應，將水平和豎向圍巖分別取洞徑的3倍作為計算范圍，隧道埋深100 m，整體網格劃分如圖3（a）所示。

Ⅳ級圍巖模型：為消除邊界效應，隧洞左側、右側、上側和下側圍巖分別取洞徑的3倍作為計算范圍，計算模型取120 m（長）×120 m（高），隧道埋深90 m。建立的模型如圖3（b）所示。

Ⅴ級圍巖模型：為消除邊界效應，隧洞左側、右側、上側和下側圍巖分別取洞徑的3倍作為計算范圍，計算模型取120 m（長）×120 m（高），隧道埋深100 m。建立的模型如圖3（c）所示。

2.2 單元類型、本構模型及缺陷模擬方式

圍巖部分采用德魯克-普拉格本構模型和平面應變單元進行模擬，初支和二襯采用線性彈性本構模型和一維梁單元進行模擬，通過“析取”命令生成網格單元，這樣可以使初支和二襯在同一位置的梁單元完全重合，二襯作為二次支撐結構來受力。錨桿采用線性彈性本構模型和植入式桁架單元進行模擬，仰拱填充部分采用線性彈性本構和平面應變單元進行模擬。

本文通過“殺死”襯砌背后網格的方法來模擬襯砌背后空洞病害，通過減小襯砌梁單元橫截面高度的方法來模擬襯砌厚度不足病害，通過折減襯砌密度、彈性模量及強度的方式來模擬襯砌不密實情況。對于Ⅴ級圍巖，襯砌為鋼筋混凝土結構，通過改變鋼筋重心至混凝土最近邊緣的距離來模擬鋼筋保護層厚度過大的情況。

2.3 材料參數的選取

根據地勘資料和隧道設計資料，圍巖、襯砌及支護等結構力學參數見表1。

2.4 計算工況

根據對均昌隧道相應區段的檢測結果，選取14種典型工況分析隧道襯砌結構強度安全系數，如表2所示。

3 數值計算結果與分析

3.1 鋼筋保護層厚度對結構安全的影響

選取Ⅴ級圍巖S5-T1型襯砌，分析鋼護層厚度分別為6 cm、10 cm、30 cm、50 cm時襯砌結構安全系數，計算結果如圖4所示。由計算結果可知：

（1）襯砌結構安全系數沿拱頂向兩側呈對稱分布，安全系數沿拱頂、拱腳、仰拱方向先減小，后增大，其中鋼筋保護層厚度為30 cm和50 cm時，兩側拱腳處于大偏心受壓狀態且混凝土受拉區無鋼筋，由于混凝土的抗拉強度較低，混凝土會發生拉伸破壞。

（2）隨著鋼保厚度增加，拱頂、拱腰、仰拱部位的安全系數逐漸減小；邊墻部位安全系數先減小后增大；鋼筋保護層厚度從6 cm增加到10 cm時拱腳部位安全系數減小，大于30 cm后拱腳發生拉伸破壞。

3.2 襯砌背后脫空對結構安全的影響

3.2.1 脫空深度對襯砌結構安全的影響

選取Ⅲ級圍巖S3型襯砌，分析無脫空、右拱腰脫空深度0.2 m、右拱腰脫空深度0.4 m等3種工況的襯砌結構安全系數，計算結果如下頁圖5所示。由計算結果可知：

（1）隨著右拱腰脫空深度增加，左拱腳、左邊墻、左拱腰、右拱腰的安全系數逐漸減小，拱頂、右邊墻、右拱腳安全系數逐漸增大。

（2）脫空位置襯砌結構安全系數最小，隨著脫空深度增加至0.4 m，結構安全系數由18.42減小到1.91，減小了89.63%。

3.2.2 脫空范圍對襯砌結構安全系數的影響

選取Ⅲ級圍巖S3型襯砌，分析無脫空、右拱腰脫空范圍3.6 m、右拱腰脫空范圍8.4 m等3種工況的襯砌結構安全系數，計算結果如圖6所示。由計算結果可知：

（1）隨著右拱腰脫空范圍增加，左拱腳、左邊墻、左拱腰位置的襯砌結構安全系數逐漸減小；拱頂、右拱腳位置的襯砌結構安全系數先增大后減小；右拱腰位置襯砌結構安全系數先減小后增大；當脫空范圍達8.4 m時右邊墻部位出現受拉破壞。

（2）右拱腰脫空位置襯砌結構安全系數最小，襯砌脫空存在最不利范圍，推測是由于脫空范圍擴大后，應力集中區域外移，最不利區域向脫空區端頭轉移。

3.3 襯砌厚度不足對襯砌結構安全系數的影響

選取Ⅳ級圍巖S4型襯砌，分析左拱腰襯砌厚度40 cm（無缺陷）、30 cm、20 cm、10 cm等4種工況的襯砌結構安全系數，計算結果如圖7所示。由計算結果可知：

（1）隨著左拱腰襯砌厚度減小，左拱腳、左邊墻、拱頂部位安全系數逐漸增大；左拱腰、右邊墻、右拱腰、右拱腳安全系數逐漸減小；仰拱部位安全系數幾乎不變。

（2）左拱腰部位隨著襯砌厚度減小，結構安全系數由5.36逐漸減小至3.07，減小約42.72%。

3.4 組合工況對襯砌結構安全系數影響

選取Ⅳ級圍巖S4型襯砌，分析無缺陷、左拱腰脫空（深40 cm，寬7 m）、左拱腰厚度不足（厚度20 cm，寬7 m）、左拱腰脫空+襯砌厚度不足（脫空深40 cm，厚度20 cm，寬7 m）等4種工況的襯砌結構安全系數，計算結果如圖8所示。由計算結果可知：

（1）脫空比襯砌厚度不足對襯砌結構安全系數的影響更大，主要表現為局部安全系數明顯降低。

（2）脫空缺陷下左拱腰安全系數降低69.6%，襯砌厚度不足缺陷下左拱腰安全系數降低31.1%，組合缺陷工況下左拱腰安全系數降低80.4%。由此可見，組合缺陷嚴重影響襯砌結構安全，應引起重視。

4 結語

根據隧道襯砌隱伏質量缺陷檢測結果，通過結構安全系數計算分析，得出如下結論：

（1）鋼筋保護層厚度過大病害，會導致拱腳附近的襯砌橫截面大偏心受壓，由于受壓區沒有鋼筋，且混凝土的抗拉強度低，會造成混凝土受拉破壞，導致結構強度降低。其他位置存在鋼筋保護層厚度過大時，不易出現襯砌橫截面大偏心受壓，所以對安全系數的影響較小。

（2）襯砌背后脫空病害對襯砌結構的安全系數和受力狀態影響較大。背后脫空病害會導致脫空處襯砌的安全系數降低，以及造成脫空側襯砌的受力狀態由壓彎轉變為拉彎。

（3）襯砌厚度不足病害，會導致襯砌厚度不足處安全系數的降低，其他地方無明顯影響。

（4）襯砌脫空比厚度不足對結構安全的影響更加明顯，組合缺陷對結構安全性的影響非常大，在實際工程中應重點關注組合缺陷。

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