基于仰拱缺陷及膨脹圍巖作用下的運(yùn)營(yíng)隧道襯砌安全性評(píng)價(jià)分析

孫 迪

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

隧道襯砌結(jié)構(gòu)的完整性及圍巖壓力是影響襯砌安全的重要因素。仰拱作為隧道結(jié)構(gòu)的重要組成部分,對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力模式及襯砌結(jié)構(gòu)的安全度有著重要的影響[1-2],仰拱結(jié)構(gòu)的缺陷或缺失極大的影響襯砌結(jié)構(gòu)安全性,降低結(jié)構(gòu)安全系數(shù)[3],對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。吸水后膨脹性圍巖產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象,襯砌結(jié)構(gòu)外荷載增大,在北方春融期或雨季,地下水豐富時(shí)期,作用效應(yīng)尤為顯著。外部圍巖壓力的增大與內(nèi)部襯砌自身結(jié)構(gòu)的不完整,兩種作用相互疊加,進(jìn)一步加劇了運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)破損的風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)營(yíng)隧道仰拱作為隱蔽工程,一般采用地質(zhì)鉆探的方式進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)仰拱質(zhì)量缺陷對(duì)隧道結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響,國(guó)內(nèi)學(xué)者做過(guò)相關(guān)方面的研究。王生楠[4]分析了Ⅳ級(jí)圍巖條件下仰拱對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性影響,指出了隧道在缺失仰拱下可能存在隱患的部位;劉會(huì)鋼等[5]探討了隧道仰拱質(zhì)量問(wèn)題可能出現(xiàn)的病害特征;朱小明等[6]統(tǒng)計(jì)了甘肅地區(qū)隧道在仰拱缺陷狀態(tài)下的襯砌變形原因。對(duì)于膨脹性圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響,陳國(guó)富[7]通過(guò)結(jié)構(gòu)承載力、變形穩(wěn)定性的角度分析了隧道結(jié)構(gòu)的安全度。趙峰等[8]從設(shè)計(jì)角度分析了膨脹性圍巖作用及支護(hù)手段。

文章以遼寧西部某高速運(yùn)營(yíng)隧道為背景,在專項(xiàng)檢測(cè)和地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上,結(jié)合隧道出現(xiàn)仰拱缺失及邊墻膨脹性圍巖兩種條件因素下,分析在不同狀態(tài)下的襯砌受力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)安全系數(shù),結(jié)合計(jì)算結(jié)果提出病害處治方案,消除襯砌結(jié)構(gòu)安全隱患。

1 依托工程

1.1 隧道概況

隧道位于長(zhǎng)深高速,長(zhǎng)度為485m,在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)34～36板右側(cè)檢修道結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重隆起、變形,檢修道最大隆起高度22.6cm,檢修道底部出現(xiàn)破損脹開(kāi),同時(shí)35板襯砌右側(cè)邊墻存在凈空收斂現(xiàn)象,凈空收斂量13cm,如圖1所示,原設(shè)計(jì)中,隧道病害區(qū)域圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),襯砌及仰拱均采用35cm厚C30素混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 隧道檢修道隆起邊墻收斂

在出現(xiàn)上述病害特征的同時(shí),拱部襯砌存在多條縱向貫通襯砌板塊的裂縫。

1.2 地質(zhì)鉆探及結(jié)果

對(duì)病害部位進(jìn)行豎向及水平鉆芯取樣及室內(nèi)試驗(yàn)得出:(1)隧道病害部位未按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置仰拱結(jié)構(gòu);(2)邊墻收斂的部位,墻背存在黏土化閃長(zhǎng)玢巖,最大自由膨脹率為56.0,最小膨脹率為50.0,平均值為54.2,綜合判定,黏土化閃長(zhǎng)玢巖為弱膨脹土,具有吸水顯著膨脹、軟化,失水極具收縮、開(kāi)裂的特性。

2 安全性評(píng)價(jià)分析

根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)截面的驗(yàn)算可采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行,通過(guò)圍巖參數(shù)計(jì)算外部圍巖壓力,施加到襯砌結(jié)構(gòu)上,進(jìn)而計(jì)算出襯砌結(jié)構(gòu)單元的軸力和彎矩,最終計(jì)算得出結(jié)構(gòu)安全系數(shù),并與設(shè)計(jì)荷載組合作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行比較,分析結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)。

混凝土矩形截面,當(dāng)偏心距e0≤0.2h時(shí),按照抗壓強(qiáng)度控制承載力,當(dāng)偏心距e0≥0.2h時(shí),按抗拉強(qiáng)度控制承載力。

混凝土軸心及偏心受壓構(gòu)件抗壓強(qiáng)度按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

KN≤φαRabh

(1)

式中:K為安全系數(shù);N為軸向力(kN);φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù);α為軸向力的偏心系數(shù);Ra為混凝土抗壓極限強(qiáng)度;b為截面寬度(m);h為截面厚度(m)。

混凝土偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度按式(2)進(jìn)行計(jì)算:

(2)

式中:R1為混凝土抗拉極限強(qiáng)度;e0為軸向力偏心距,其余參數(shù)均與式(1)相同。

本工程襯砌混凝土采用素混凝土結(jié)構(gòu),按照抗壓強(qiáng)度判定時(shí),安全系數(shù)為2.4,按抗拉強(qiáng)度判定時(shí),安全系數(shù)為3.6。

3 模型分析

3.1 模型建立

依托工程隧道為三心圓曲墻式斷面,襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,素混凝土結(jié)構(gòu),厚度為35cm,病害區(qū)域圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。采用Midas GTS建立數(shù)值分析模型,通過(guò)荷載-結(jié)構(gòu)法對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)施加荷載。圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)及均布?jí)毫?按照規(guī)范要求進(jìn)行取值計(jì)算,并考慮圍巖彈性抗力的影響,結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模型

為分析不同狀態(tài)下的圍巖安全系數(shù),結(jié)合專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果,綜合考慮在不同狀態(tài)下的襯砌受力狀態(tài),采用四種工況來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況:

(1)工況一:仰拱狀態(tài)+正常荷載;

(2)工況二:無(wú)仰拱狀態(tài)+正常荷載;

(3)工況三:無(wú)仰拱狀態(tài)+膨脹壓力荷載;

(4)工況四:仰拱狀態(tài)+膨脹壓力荷載。

工況三、四中,膨脹壓力的大小結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)襯砌變形狀況進(jìn)行反分析,通過(guò)改變襯砌結(jié)構(gòu)側(cè)向壓力,使右側(cè)墻向內(nèi)水平位移13cm,進(jìn)而得出膨脹壓荷載大小。通過(guò)圍巖壓力計(jì)算,Ⅳ級(jí)圍巖正常計(jì)算拱腳側(cè)向壓力為85kN/m2,反分析后強(qiáng)制位移13cm,所施加的側(cè)向荷載為200kN/m2。工況三、四膨脹壓力荷載模擬為拱腳側(cè)向壓力200kN/m2。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)四種工況分別進(jìn)行模擬計(jì)算。在Ⅳ級(jí)圍巖壓力作用下,工況一襯砌46個(gè)單元中,安全系數(shù)均能滿足,最大軸力和彎矩出現(xiàn)在拱頂及拱腳部位,拱頂軸力值為-644.5 kN,彎矩為70.0 kN·m,拱腳軸力值為-958.0 kN,彎矩為91.8kN·m。襯砌單元安全系數(shù)如圖3所示。

表1 模型參數(shù)

圖3 工況一襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

此工況下,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足要求,并具有一定安全儲(chǔ)備。

工況二作用下,軸力和彎矩極值分別出現(xiàn)在拱頂74單元及右側(cè)墻56單元,74單元軸力為-571.3kN,彎矩為129.5kN·m,56單元軸力為-889.4kN,彎矩為491.3kN·m,此種狀態(tài)下,46個(gè)單元中,37個(gè)單元安全系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),不同單元的安全系數(shù)如圖4所示。

圖4 工況二襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

其中74單元按抗拉標(biāo)準(zhǔn)控制,安全系數(shù)僅為0.82,56單元按抗拉標(biāo)準(zhǔn)控制,安全系數(shù)僅為0.19,嚴(yán)重小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值,在無(wú)仰拱狀態(tài)下,二襯結(jié)構(gòu)已不能滿足設(shè)計(jì)安全要求。

通過(guò)反分析計(jì)算膨脹壓力給圍巖帶來(lái)的荷載效應(yīng),對(duì)于右側(cè)膨脹壓力帶來(lái)的荷載增大效應(yīng),對(duì)計(jì)算后模型單元軸力和彎矩進(jìn)行提取,結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)單元軸力和彎矩

在結(jié)構(gòu)無(wú)仰拱狀態(tài)下,膨脹壓力對(duì)于結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生的軸力明顯增大,影響范圍為51～73單元,也就是結(jié)構(gòu)中心線的右側(cè)部分。而對(duì)于彎矩的影響范圍與軸力不同,主要影響范圍為51～66單元,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)角度的測(cè)量,影響區(qū)域主要集中在拱部圓心與水平方向夾角50°范圍。

對(duì)于膨脹壓力所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)危害更多集中在右拱腰及邊墻范圍,拱部影響較小。對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,在此工況下67～80單元的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求,56單元安全系數(shù)由0.19降低至0.15,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如圖5所示。

圖5 工況三襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

工況四作用下,襯砌安全系數(shù)均能滿足要求,與工況一對(duì)比,在側(cè)向壓力增大的加持下,拱部區(qū)域61～84單元,彎矩有縮減趨勢(shì),結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)在8～10之間,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)見(jiàn)圖6。同時(shí)對(duì)拱腳部位的位移進(jìn)行提取,在無(wú)仰拱狀態(tài)下的右拱腳水平13cm強(qiáng)制位移,此工況下位移僅為0.12mm。

圖6 工況四襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

4 工程應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)計(jì)算結(jié)果,從運(yùn)營(yíng)隧道安全角度提出相應(yīng)的工程應(yīng)對(duì)措施,考慮仰拱對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響,應(yīng)恢復(fù)隧道的仰拱結(jié)構(gòu),針對(duì)膨脹壓力所帶來(lái)的影響,一是通過(guò)注漿等方式消除膨脹壓力,使其處于飽和狀態(tài),吸水后不再膨脹,二是考慮結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生的明顯變形,綜合膨脹壓力影響范圍,對(duì)右側(cè)50°范圍二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆換,重新澆筑混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)考慮到新舊混凝土的連接及拱部襯砌裂縫問(wèn)題,在結(jié)構(gòu)拆換施工后,可對(duì)整板襯砌粘貼鋼板來(lái)提高結(jié)構(gòu)的整體性。

5 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的病害特征及缺陷情況,采用四種工況分別模擬原設(shè)計(jì)條件、仰拱缺失條件、外部荷載增大條件及結(jié)構(gòu)恢復(fù)條件,分析和判斷仰拱結(jié)構(gòu)缺陷及膨脹壓力對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的危害。

(1)仰拱結(jié)構(gòu)對(duì)于襯砌安全起著至關(guān)重要的作用,在無(wú)仰拱的狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)彎矩較大,造成安全系數(shù)的不足,仰拱結(jié)構(gòu)在很大程度上削弱了結(jié)構(gòu)受彎效應(yīng),提高了結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。仰拱結(jié)構(gòu)很好的抑制了外荷載作用下的拱腳部位結(jié)構(gòu)變形,降低了結(jié)構(gòu)收斂量。

(2)膨脹壓力所帶來(lái)的外荷載增大,影響主要集中在拱腰及右側(cè)邊墻范圍,在工程應(yīng)對(duì)措施上,可考慮從消除膨脹壓力及結(jié)構(gòu)處治范圍兩種角度出發(fā)。

(3)對(duì)于Ⅳ級(jí)以上圍巖,應(yīng)對(duì)隧道設(shè)置仰拱結(jié)構(gòu),在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)也為隧道后期運(yùn)營(yíng)增加安全儲(chǔ)備。