隧道衬砌厚度不足及劣化对结构承载能力影响研究

刘 玮

(南京市公共工程建设中心，江苏南京210019)

近二十年来，我国公路发展迅猛，隧道工程规模也越来越大。受工程设计、工程施工及运营期间维护过程中等各因素影响，隧道运营过程中出现了多种类别病害，维修加固需求越来越多。特别是影响隧道结构承载力及运营安全的衬砌开裂、掉块、漏水等病害发生实例较多。本文利用数值软件，依托某隧道工程，结合围岩条件及设计参数，针对隧道衬砌厚度不足、隧道衬砌劣化等病害状态下的受力分布及结构安全性进行研究，为类似工程制定经济合理的病害处治措施提供技术支持［1-2］。

1 依托工程概况

为探明运营公路隧道各类病害对衬砌结构承载能力的影响，本章拟通过数值计算和理论分析，依托国内某隧道围岩条件及设计参数，对隧道衬砌在厚度不足及劣化情况下的安全性开展具体计算研究，揭示其对隧道结构安全性的影响规律。为后续制定经济合理的病害处治措施提供理论支持。

数值计算研究模型的建立主要基于依托工程隧道群设计文件中洞口段Ⅳ级围岩段，该段结构支护设计图和设计参数分别见图1和表1。

图1 隧道支护结构

2 厚度不足对结构安全影响分析

本文将分析拱顶、拱肩和墙腰三个病害特征位置。通过对依托隧道衬砌不同缺陷状态下的受力分布规律及安全性状态，研究衬砌厚度欠缺对隧道衬砌安全性的影响［3-4］。

表1 隧道支护参数

2.1 衬砌厚度欠缺研究方案

衬砌厚度欠缺是常见的病害，分为整体厚度欠缺不足和局部厚度欠缺不足两种类型，其中最为常见的是局部不足。本项选拱顶、拱肩和墙腰三处特征位置局部厚度不足时的情况进行研究。

衬砌厚度设计值H，实际值h：

式中：Ah和Ih是根据检测实际衬砌厚度h计算出的截面面积和惯性矩。

2.2 数值模型及计算参数

采用荷载—结构模型，利用ANSYS软件，计算时对于复合式衬砌，本次检算Ⅳ级围岩二衬衬砌承担荷载比例分别取40%考虑；分析时假定衬砌背后回填密实(表2)。

表2 围岩参数

2.3 欠厚程度对结构安全性的影响分析

对于衬砌欠厚程度，按不同劣化程度等级进行折减，共计算18个工况。

(1)拱顶局部欠厚。假定拱顶局部欠厚范围宽为1.5 m，计算结果如图2、图3所示。

图2 拱顶局部不同欠厚程度时各截面安全系数分布

图3 拱顶局部欠厚程度与拱顶、拱肩和墙腰处结构最小安全系数关系

根据分析结果，拱顶厚度欠缺时，拱顶区域先显著降低，而后有所抬升。随着隧道顶部区域厚度缺陷程度增加，衬砌最大轴力、大弯矩有所上升。拱顶处轴力略有上升，而弯矩迅速下降。

(2)拱肩厚度不足。假定拱顶局部欠厚范围1.5 m，结果见图4、图5。

图4 拱肩局部不同欠厚程度时各截面安全系数分布

图5 拱肩局部欠厚程度与拱顶、拱肩和墙腰处结构最小安全系数关系

根据分析结果，拱肩的安全系数显著降低，拱顶处的安全系数也随着拱肩厚度不足的程度呈下降趋势，而墙腰处的安全系数则有一定程度的增加。

随着拱肩缺陷程度增加，该处衬砌结构的弯矩显著降低。因为拱肩发生厚度不足缺陷，隧道内力进行了重分布，使得弯矩往拱顶方向移动，在该区域的内力和极限承载力综合变化的同时，其安全系数发生复杂变化。

(3)墙腰欠厚。计算假定拱顶局部欠厚范围宽为1.5 m，计算结果见图6、图7。

图6 墙腰局部不同欠厚程度时各截面安全系数分布

图7 墙腰局部欠厚程度与拱顶、拱肩和墙腰处结构最小安全系数关系

根据分析结果，墙腰出现缺陷时，该处安全系数显著减小，其他部位安全系数均无显著变化，对整体结构的承载性能影响较小。

3 衬砌劣化对结构安全影响分析

3.1 衬砌劣化研究方案

结合隧道结构承载和安全性分析要求，材料劣化病害计算模型的材料弹性模量E和材料抗拉强度σt、抗压强度σc按照实际病害检测结果选取，即：

式中：Ei、σti、σci分别是劣化衬砌混凝土弹性模量、抗拉、抗压强度。

3.2 计算模型及参数

计算模型及参数同2.2节。

3.3 劣化程度对结构安全性的影响分析

依托某隧道工程实际情况，按不同劣化程度等级，分析不同衬砌劣化程度下的衬砌结构受力分布及结构安全性(图8、图9)。

从图8、图9可见：全局劣化状态下，随着劣化程度的加深，衬砌支护结构安全系数呈线性减小趋势，结构承载能力逐渐减小，衬砌结构趋于不安全状态［5］。

图8 不同全局劣化程度时各截面安全系数分布

图9 全局劣化程度与典型部位结构最小安全系数关系

4 结论

本文结合所依托工程，对隧道不同位置出现厚度不足及衬砌劣化情况下的结构受力分布规律进行了计算研究，结论如下：

(1)隧道顶部衬砌厚度与设计相比有欠缺的情况下，对隧道结构的安全影响相对较大。尤其拱肩部区域受影响较明显。隧道顶部的安全系数先显著降低，而后有所抬升。

(2)隧道拱肩部位衬砌厚度欠缺时，该处安全系数显著降低，拱顶处的安全系数也随着拱肩厚度不足的程度呈下降趋势，而墙腰处的安全系数则有一定程度的增加。

(3)墙腰厚度欠缺时，随着缺陷程度增加其相应的安全系数显著降低。

(4)随着拱肩和墙腰区域劣化范围的增大，拱肩区域安全系数降低的范围也逐渐增大，其它未劣化区域安全系数变化不大。