基于隧道二次襯砌澆筑缺陷的結構受力分析

仲光偉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來，隨著基礎設施的建立，隧道在交通運輸中有著越來越重要的地位，尤其在中西部多山區(qū)地段，隧道起著至關重要的作用。在隧道的施工修建過程中，受施工技術、沿線地質條件等的影響，經常出現當隧道二次襯砌施工完成后，在驗收檢測過程中出現二次襯砌厚度不足的情況［1］。許贊淵等［2］提出了隧道二次襯砌厚度不足帶來的隱患，并且分析了隧道二次襯砌厚度不足的原因，并提出了5種原因；謝云揚［3］指出隧道施工中二次襯砌混凝土的澆筑經常受到技術因素、施工工藝、環(huán)境因素和其他一些人為因素的影響，使二次襯砌局部存在空洞、不密實等現象，尤其是在拱腰、拱頂部位更易形成脫空，從而改變二次襯砌的整體受力結構，減弱二次襯砌的支護強度，進而直接影響隧道的安全性能和使用壽命；錢玉佳等［4］提出了隧道二次襯砌受傳統(tǒng)灌注工藝的影響，容易在拱頂、拱肩和拱腰部位形成二次襯砌厚度不足的現象；殷慶武［5］提出了這種隧道二次襯砌的缺陷將導致隧道二次襯砌無法與初支和圍巖一起主動承擔圍巖壓力，只能被動承擔圍巖壓力，這將大大增加隧道二次襯砌的危險系數；周峰等［6］就通過數值模擬的方法分析了公路隧道二次襯砌厚度不足帶來的抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度的變化。

研究在不同部位和不同程度下的二次襯砌厚度不足時，引發(fā)的隧道二次襯砌位移、應力和塑性區(qū)的變化［7-8］，可為隧道工程二次襯砌厚度不足時會引發(fā)的危害提供參考。

1 工程背景

該客專隧道全長4 578 m，為雙線鐵路隧道，馬蹄形斷面，設計時速為250 km/h，開挖斷面面積約151 m2，最大埋深約221 m。隧道巖體呈現中～薄層狀結構，開挖后巖層易剝落掉塊，為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。隧道采用復合式襯砌，初期支護采用C25噴射混凝土+鋼筋網+鋼架，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土。

2 數值模型

2.1 有限元模型

根據依托隧道圍巖呈現層理特性，選取某一斷面采用MADIAS GTS進行二維數值模擬。采用荷載結構法計算二次襯砌的內力，二次襯砌采用M-C本構的材料模擬，二次襯砌與周圍圍巖采用彈性地基彈簧連接，只受壓力，二次襯砌厚度取60 cm。二次襯砌厚度不足的部分，因為和初支沒有接觸，在計算時此位置不加荷載，不加彈簧約束。研究二次襯砌澆筑厚度不夠時在受自重和圍巖壓力下的內力變化，圍巖和襯砌結構的材料參數如表1所示。

表1 材料參數

2.2 荷載計算及工況

2.2.1 荷載計算。隧道洞身段埋深普遍達到50 m，由隧道寬度換算出隧道圍巖的塌落拱高度8.21 m，可知此段隧道屬于深埋隧道。圍巖分級為Ⅳ級圍巖。簡單考慮自重應力的影響，不考慮構造應力。根據荷載分擔比，Ⅳ級圍巖二次襯砌分擔總的圍巖荷載的40%，則作用于二次襯砌上的豎向圍巖壓力達到75.57 kPa，水平圍巖壓力7.56 kPa，具體如圖1所示。

圖1 荷載分布圖

2.2.2 計算工況。為研究不同部位二次襯砌澆筑厚度不足引起的二次襯砌內力變化，本研究做了如下假設：澆筑的缺陷主要在2 m的范圍內，形狀是拋物線狀的凹槽；研究了拱頂和右拱肩部分缺陷10 cm、20 cm、30 cm和40 cm的變化。

3 計算結果分析

3.1 襯砌位移收斂

圖2為二次襯砌澆筑缺陷20 cm（拱頂缺陷和無缺陷）下的二次襯砌位移變形云圖。在圖2（a）工況下，隧道二次襯砌相比較無缺陷的工況圖2（b），拱頂沉降和左右收斂的變化相對較小；隧道二次襯砌的拱頂部分沉降達到11.18 mm，左右收斂達到20.19 mm，而無缺陷的二次襯砌拱頂沉降僅有4.43 mm，左右收斂3.54 mm。相對于無缺陷的狀況，可以看出拱肩缺陷帶給二次襯砌受力的災害是遠遠超過頂部缺陷帶來的危害的。再從位移云圖上定性分析，圖2（a）工況下變形是對稱分布的。

圖2 二次襯砌位移云圖

圖3是頂部缺陷和右拱肩缺陷在各個工況下的位移數據統(tǒng)計分析圖。從圖3（a）中看，對于拱頂沉降，在相同的缺陷程度下，拱肩缺陷造成的拱頂沉降變化值達到了頂部缺陷引起變化的3倍多。從圖3（b）中看，頂部缺陷對于左右收斂幾乎不引起變化；但是拱肩缺陷，會引起左右收斂快速變化，前后收斂值達到了4倍的差。綜合兩個圖可知：拱肩的襯砌結構厚度不足問題對于整個襯砌結構的受力和變形有著非常大的影響。

圖3 位移數據對比

圖4二次襯砌應力云圖

3.2 襯砌的應力

圖4 是二次襯砌缺陷20 cm時，不同部位厚度不足導致的應力分布云圖。在頂部二次襯砌厚度不足時，最小主應力有略微降低的趨勢。而在結構拱肩厚度不足時，致使結構應力重分布，襯砌結構的多個位置出現較大的拉應力，且最小主應力大幅度增加，使二次襯砌結構易被拉裂，處于不安全的地位。

圖5塑性區(qū)分布圖

3.3 襯砌的塑性區(qū)

圖5 是二次襯砌的塑性區(qū)分布圖。由圖5（a）可知，直到拱頂缺陷40 cm時，隧道的二次襯砌才出現塑性區(qū)，說明拱頂部位厚度缺陷較小時，一般不會引起結構的局部進入塑性區(qū)。反而觀察圖5（b）時，拱肩缺陷10 cm，就已經出現多處的塑性區(qū)，說明拱肩部位的缺陷極易導致結構的局部破壞，使二次襯砌結構處于不安全的狀態(tài)。

4 結論

本研究以某客專某段隧道二次襯砌澆筑厚度不足為依托，通過上述數值模擬計算分析，得到以下結論。

①隧道二次襯砌澆筑厚度不足時，會引起二次襯砌的變形和應力的快速變化，危及隧道的安全，應引起足夠的重視。

②不同部位二次襯砌厚度的不足，所引起的二次襯砌內力和位移變形不同，危害程度也不相同。就本研究中，拱肩部位厚度不足引發(fā)的位移、應力和塑性區(qū)和變化遠遠大于拱頂部位襯砌厚度不足導致的變化。因此危害更大，在施工時要更加注重該部位的檢查。