有压隧洞顶拱衬砌留有孔隙的结构性研究

孙露（辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003）

有压隧洞顶拱衬砌留有孔隙的结构性研究

孙露
（辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003）

隧洞衬砌施工，受其结构特殊性影响，顶拱难以浇筑密实，常与顶部岩体留有孔隙，具有这种质量缺陷的衬砌问题，常给运行带来较大隐患。文中结合某圆形有压隧洞顶拱衬砌厚度检测数据，研究了其质量缺欠的特性，通过FLAC计算：顶拱衬砌留有孔隙，对洞室安全运行具有较大影响，通过回填灌浆，可以显著减小顶拱部位最大剪应力，降低危害程度。

隧洞衬砌；质量缺陷；回填灌浆；工程质量

1　引言

顶拱浇筑的特点是只能一次连续进料、入仓进料口少、浇筑层次不易分清［1-3］。灌入量的多少通过经验判断，常通过进料口数量、下一个进料口的变化以及预埋排气管路，判断仓内浇筑面积与厚度，具有较大的不确定性。顶拱衬砌混凝土浇筑工艺不易控制，常用退管法，浇筑后期压力调制低速挡，时刻注视压力变化，防止混凝土灌满后仍灌注导致模板变形，同时又需注意未灌满留有孔隙。实践表明，顶拱衬砌厚度不足是隧洞工程施工的通病，不易控制是难点，后期运行由于顶拱厚度不足，回填灌浆不饱满，遇岩体裂隙水丰富地带结合内外水压差，导致剪应力增大，易破坏顶拱衬砌结构，常发生工程质量事故。

2　计算的依据

结合某隧洞工程衬砌后的检测，进口段300 m已完衬砌段，顶拱厚度不足，设计要求50 cm，实检顶拱最大衬砌厚度46.5 cm、最小26 cm，平均厚度不足40 cm。计算边界条件，模拟隧洞顶拱衬砌厚度不足、周围岩体力学特征、环向施工缝。

3　模型应用与计算内容

3.1模型应用

1）为掌握最不利断面的承载能力，选择最薄厚度26 cm所在桩号C0+196为研究断面。在一定洞段范围内，衬砌结构共同承担荷载作用力，承载力距研究断面由远渐小，根据弹塑性理论原理，洞段长度选取孔隙的2×3倍，测量孔隙宽度约1.85 m，则计算洞段长为11.1 m。孔隙厚度不同对外荷载承载能力也不尽相同，加权计算可采用的顶拱衬砌厚度值为31.8 cm。

2）回填灌浆可最大限度充填顶拱孔隙，但仍存在两个技术难题，一是新老混凝土胶结形成的薄弱带，二是灌入浆液在凝固及强度提高过程中产生的收缩，造成新老混凝土不易成为整体共同承受荷载。为准确掌握顶拱受力状态，按两种情况进行计算，一是偏保守，即不考虑回填灌浆，二是考虑回填灌浆，同时考虑薄弱带与混凝土收缩。显然，第二种更接近于实际。

3.2计算研究内容

顶拱结构应力-应变状态变化；腰拱附近衬砌结构应力-应变状态；衬砌结构周围岩体应力变化。

4　基础参数

1）岩体力学参数，详情见表1。

表1　岩体力学参数情况统计表

2）衬砌混凝土力学参数，详情见表2。

表2　衬砌混凝土力学参数情况统计表

3）荷载边界条件。地应力：覆盖层厚度为41 m；测压系数重力加速度作用下生成地应力场；衬砌混凝土和满水自重；内水压1.6 MPa，外水压0.05 MPa。

5　研究方法

为研究衬砌后应力场、应变场变化情况，选用岩土工程常用的数值分析软件FLAC来进行应力-应变分析，对隧洞周围岩体及衬砌后结构体采用摩尔-库伦模型计算，共划分为约1 600个单元，网络划分图详情见图1，2所示。

图1不进行回填灌浆的单元划分

图2进行回填灌浆的单元划分

隧洞工程改变了原地应力场平衡，爆破开挖、初支及衬砌完成后地应力场重新生成。计算分两步走，一步重点计算岩体未开挖前受自重影响初始地应力场状态；二步重点研究在一步基础上，隧洞受开挖与衬砌影响后，重新生成应力场与应变场问题。

6　计算结果分析

6.1不进行回填灌浆

不回填灌浆，通过FLAC模型分析，无论是周围岩体还是衬砌结构，其最小主应力均为压应力（+），且隧洞周边最小主应力值均较小（小于0.25 MPa），其中顶拱衬砌部分由于有孔隙，内外均为临空自由面，最小主应力值为最小，其值仅为0.058 MPa。最大主应力在两侧腰拱及以下部位也均为压应力（+），受浇筑混凝土施工缝卸压作用，最大主应力值也较小（1.257 MPa），然而在顶拱部位最大主应力值较大（2.95 MPa），推算顶拱部位最大剪应力值（1.42 MPa）较大，运行隐患较大。左右两侧向拱内方向位移约为1.3 mm，顶拱部位下沉量约为2.39 mm，仰拱向上位移量约为3.53 mm。

6.2进行回填灌浆

采用回填灌浆，通过FLAC模型分析，周围岩体和衬砌结构的最小主应力仍为压应力（+），顶拱部位最小主应力值（0.19 MPa）、最大主应力值（2.21 MPa），推算最大剪应力值为0.86 MPa，回填灌浆后，最大剪应力值明显降低。左右两侧向拱内方向位移约为1.1 mm，顶拱部位下沉量约为2.8 mm，仰拱向上位移量约为3.32 mm。

6.3 FLAC结果对比分析

结果表明，顶拱浇筑完成后是否进行回填灌浆，对周围岩体与衬砌结构的最大（小）主应力、剪应力有不同程度影响，进行回填灌浆后联合受力结构所承受剪应力明显变小，分述如下：

1）是否进行回填灌浆，衬砌结构的最大（小）主应力均为压应力（+），结合混凝土耐压特点，最大（小）主应力均利于自身结构承担荷载作用。

2）两种方案压应力均较小，相比较而言，考虑回填灌浆的压应力值相对较大，但顶拱部位的最大主应力值除外。

3）是否进行回填灌浆，顶拱衬砌结构均存在剪应力的不利影响，不进行回填灌浆，其值为1.42 MPa，进行回填灌浆，其值为0.86 MPa，后者比前者剪应力值降低了39.4%，回填灌浆效果明显。

4）是否进行衬砌后的回填灌浆，顶拱与仰拱位移值均变化不大，在可控范围内，进行回填灌浆后，受自重、压力等方面影响，顶拱下沉位移值略增加。

6.4 FLAC结果特征

应用FLAC软件计算分析两种方案，详情见表3。

表3 FLAC计算结果特征值统计表

7　结论

工程实践表明，隧洞工程进行回填灌浆是必要的，也是必须进行的一道工序。通过FLAC软件建模，对比分析了是否进行回填灌浆对衬砌结构及周围岩体的应力-应变带来的影响，通过有效的回填灌浆，可显著降低顶拱衬砌结构的最大剪应力（降低39.4%），最大程度的避免混凝土薄弱特性拉应力，为工程长期安全运行提供保障。

［1］李盛青，敖昕，李锋.溪洛渡导流洞衬砌混凝土温控防裂研究［J］.长江科学院院报.2014［12］：97-100.

［2］于厚文.全圆隧洞针梁模板台车混凝土衬砌分区施工技术［J］.东北水利水电.2016［1］：20-22.

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2016-02-18