不同位置空洞对隧道衬砌的力学行为分析

崔文艳,宋 建,刘 宇,于志华

(东北大学 资源与土木学院,辽宁 沈阳 110004)

从“十一五”规划开始以来,我国基础设施发展迅速,尤其是公路和铁路建设,已经开始从经济发达的平原向地质环境复杂的山区延伸。随着我国越来越多的隧道投入到运营中,病害隧道的出现也越来越引起人们的关注。隧道设计规范[1]要求衬砌结构与围岩紧密贴合,但隧道工程是隐蔽工程,人们事先无法准确了解其工程地质情况,而且其施工工序繁多,所以存在不少的潜在危险源。根据地质雷达检测发现,实际上公路隧道衬砌拱顶、拱腰等区域存在不同程度的空洞。衬砌背后空洞一般由隧道施工回填不密实引起或地下水的腐蚀和冲刷引起,经验认为空洞是对隧道稳定性影响较大的主要原因之一,常使衬砌受到不均匀的荷载,不能产生充分的地层反力,导致隧道建成后,出现不同程度的病害,比如衬砌裂损、变形、掉块和隧道渗漏水等,更甚者引发隧道衬砌失稳,严重时会发生突发性崩塌,因此,处理隧道背后空洞对隧道的安全维护具有重大意义[2-3]。本文以辽宁省海棠山隧道为工程背景,结合隧道衬砌后空洞对结构稳定性影响的模型试验结果,运用岩土隧道分析有限元软件MIDAS软件进行有限元数值模拟,详细分析了不同位置的空洞对衬砌结构受力特点以及结构性能的变化,研究成果有助于准确把握空洞对隧道衬砌结构安全的影响,为综合评价隧道结构安全性提供可靠依据。

1 工程概况

海棠山隧道位于阜蒙县水泉乡,呈北西走向,左线长3525 m,右线长3508.89 m,属特长隧道,采用分离式隧道结构形式。隧道主洞建筑限界净宽10.75 m,净高5.0m,检修道净高2.5 m,道路两侧设有宽0.75 m,高30cm的人行道。设计采用复合式衬砌,初期支护由系统锚杆、单层钢筋网、喷射混凝土、工字钢钢拱架组成,结合超前小导管,导管采用Ф 42×3.5热轧钢管,模筑钢筋混凝土作为二次衬砌。初衬采用C25喷射混凝土,厚度为25cm,I20b型钢拱架间距为100cm,二次衬砌采用C25钢筋混凝土,厚度为45cm。

海棠山隧道地貌以侵蚀构造类型为主,山坡陡峭,山脊狭窄,局部岩石裸露,部分路段围岩软弱,夹泥带、破碎带及小断层多,围岩等级为Ⅳ级,进出口围岩稳定性稍差。但是在隧道施工中地质调查结果与实际地质情况有出入,导致多次塌方,对隧道的稳定性造成严重的影响。

2 模型试验与分析

试验的目的主要是根据辽宁省海棠山隧道的地貌情况及不同位置出现空洞对隧道衬砌的结构安全的影响与分析。模型尺寸为600mm×600mm×100mm,模型的几何相似比取1/90,故隧道尺寸为:跨度为121mm,洞高为108mm,直墙高为37mm,材料选用的是石膏、水泥为胶结材料来模拟石英岩。试验模型分为5种工况,分别是空洞位于拱顶、拱腰、边墙、拱脚和拱底,共5个模型。

将制作好的试块模型粘贴上应变片的电阻丝以及相应的数据线之后,直立于台架上,采用油压千斤顶加载模拟竖向荷载及水平荷载。实验时,首先进行预压,尽可能减少模型与垫块之间、垫块与实验台架之间、量测仪器探头与模型之间的孔隙,保证实验的稳定性和准确性,然后进行正式加载,每级荷载施加完毕后保持该荷载3～5 min,记录关键点的测量数据后再施加下一级荷载。其中将拱顶、拱肩、拱脚和拱底作为关键点,每个关键点分别安装3个方向的数据输出线,观测它们的应变随荷载的变化以及模型的破坏情况[4],图1是拱肩有空洞时,关键点拱底、拱脚、拱顶、拱肩、边墙的应变值随荷载的变化曲线。

图1 空洞位于拱肩时荷载-应变曲线

通过试验结果分析可了解到,隧道衬砌背后不同部位出现空洞,均对衬砌的安全系数有影响。随着荷载的增加,关键点的应变值都呈现上升趋势,符合常规的理论。而且对比不同位置的空洞,隧道模型的破坏规律也略有差别,当空洞在拱肩位置时,随着荷载的增加,首先会在衬砌有空洞的部位出现裂纹,随着荷载增大裂缝贯通导致破坏,但是其他工况的隧道一般首先会在拱底部位发生裂纹,接着两侧边缘出现裂纹,最后随着荷载继续增加导致破坏。比较拱顶、拱腰、拱脚存在空洞时对截面应变随荷载的变化可知,空洞位置从左侧拱顶移到拱腰、拱脚后,左侧仰拱的应变随荷载的变化较明显,而拱顶与对侧衬砌影响程度较小,说明随空洞位置下移,受影响区域位置也向下侧移动,且病害危害程度也逐渐增大[5-6]。

3 计算模型

3.1 模型的建立

为了更有力的验证空洞对隧道工程造成危害的严重性,本文基于已有的实验模型结果,应用有限元软件MIDAS对试验试块进行了模拟分析。本次研究建立二维的平面应变分析模型。计算模型的尺寸与室内试验模型相同,并且分别对衬砌背后存在不同位置的空洞的情况进行了分析。建立模型围岩和衬砌参数,如表1所示。围岩的本构关系采用Mohr-Coulomb模型,为连续弹塑性体,网格划分采用四边形平面单元,用实体单元模拟隧道周围的围岩地层,梁单元来模拟隧道衬砌。隧道边界条件为模型左、右和下部边界均施加法向约束,上部为自由边界,不受任何约束。通过划分的施工段不同,逐级加载荷载,模拟实验加荷载的过程。建立的模型如图2。

表1 数值模拟的计算参数

图2 平面计算模型

3.2 数值模拟结果分析

通过数值分析,可得到用梁单元模拟的衬砌的弯矩和轴力[7-10]。

3.2.1 拱顶背后出现空洞

当空洞位于衬砌拱顶上方时,衬砌结构受力存在如下规律。

图3、图4拱顶背后出现空洞时,由5个关键点的安全系数变化曲线可以看出,在竖向压力为主的应力场作用下,衬砌拱脚处最大正弯矩值为1.25 kN·m,仰拱的两侧出现较大的弯矩,衬砌轴力最大值(122.64 kN)出现在拱脚。正是在这些受力最严重的区域,病害产生最早这与实验模型结果一致,左侧的边墙、拱脚以及仰拱左侧处最早发生病害。

图3 拱顶背后存在空洞时衬砌的轴力

3.2.2 空洞位于拱肩背后

当空洞位于衬砌拱肩背后时,衬砌结构受力存在如下规律。

在竖向压力为主的应力场作用下,衬砌的右边墙和左侧拱脚处分布最大弯矩值为2.89 kN·m,衬砌两侧内侧受拉,拱顶出现最大正弯矩值为2.03 kN·m,衬砌轴力最大值(207.20 kN)出现在拱脚处。如图5、图6所示,拱底和拱顶均为空洞病害集中的区域。试验模拟结果显示拱脚有空洞时,在有空洞的位置也首先出现了裂缝。

图4 拱顶背后存在空洞时衬砌的弯矩

图5 拱肩背后存在空洞时衬砌的轴力

图6 拱肩背后存在空洞时衬砌的弯矩图

3.2.3 空洞位于拱脚

当空洞位于衬砌拱脚部位时,衬砌结构受力存在如下规律。

如图7、图8所示,在竖向压力为主的应力场作用下,衬砌拱脚处最大正弯矩值为3.30 kN·m,拱顶上侧也受拉,但是弯矩值没有边墙两侧的大,衬砌轴力在拱脚达最大值(274.42 kN)。由于拱脚本来就是一个危险的位置,所以当在这里有空洞的时候,衬砌下侧受拉更为严重,承载能力急剧下降。

图7 拱脚背后存在空洞时衬砌的轴力图

图8 拱脚背后存在空洞时衬砌的弯矩图

通过以上仿真模拟以及与模型试验结果的对比分析,试验结果与数值模拟分析大致相似,应变值随荷载的变化趋势,以及受力最大的位置基本相同。各点的应变值随着荷载的增大而增大,变化趋势基本一致。但是总体来讲,空洞位于隧道不同位置,衬砌的结构安全性均受到较大的影响,在工程中应尽量避免,所以本文不仅具有理论意义,还具有重要的工程意义[11]。

4 结 论

通过对衬砌背后不同位置空洞的数值模拟分析,可以得出下面的结论:

(1)当拱顶背后出现空洞时,对拱顶衬砌的内力影响最大;当拱肩背后出现空洞时,对拱肩、相邻侧的拱脚及拱顶衬砌的内力有影响,试验结果显示拱肩位置随着竖向荷载的变化会首先出现裂缝,而且模拟结果的弯矩变化较快;当拱脚背后出现空洞时,对拱脚、拱顶及侧墙衬砌的内力也有影响。所以,总体来讲,随着空洞位置的下移,衬砌的破坏也有下移的趋势,而且通过数值模拟的结果也间接验证了模型试验分析是合理的。

(2)空洞是隧道施工中比较容易出现的病害之一,当不同部位的衬砌受力发生改变时,还将衍生出其他病害,如:空洞使衬砌裂损,进而起层、掉块,这些情况对隧道安全运营及人生安全有着很大的危害。

(3)本文仅对隧道衬砌背后出现不同位置的空洞做了分析,而影响隧道衬砌稳定性的因素还包括裂损、渗漏水、强度降低等因素,在这些病害综合作用下时对隧道支护结构的影响还需要进行更深入的研究和分析。

[1]JTG D70—2004.公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]朱春生.公路隧道衬砌背后围岩缺陷对结构安全的影响及处治对策研究[D].西安:长安大学,2009.

[3]来弘鹏.软弱围岩公路隧道结构性能试验研究和理论分析[D].西安:长安大学,2007.

[4]刘宇.施工缺陷对隧道稳定性影响的模型试验研究[D].沈阳:东北大学,2011.

[5]陈 浩,任伟中,李 丹,等.深埋隧道锚杆支护作用的数值模拟与模型试验研究[J].岩土力学,2011,32(S1):719-724.

[6]曾亚武,赵震英.地下洞室模型实验研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(增刊):1745-1749.

[7]刘海京,夏才初,蔡永昌.存在衬砌背后空洞的隧道计算模型研究及应用[J].公路隧道,2007,(4):41-45.

[8]史世雍,梅世龙,杨志刚.隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分析[J].地下空间与工程学报,2005,1(5):698-703.

[9]陈达才.局部空洞(局部荷载)作用下连拱隧道衬砌裂缝仿真分析[J].公路交通技术,2010,(4):109-113.

[10]朱春生,杨晓华,来弘鹏,等.公路隧道衬砌后空洞对结构安全的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2010,30(5):63-68.

[11]王述红,赵兴东,唐春安,等.大跨度浅埋隧道工程施工过程稳定性分析[C]//首届全球华人岩土工程论坛论文集,2003:241-247.