衬砌背后空洞对隧道结构的影响分析及综合评价方法

谭林波

中国建筑第五工程局有限公司 长沙410004

引言

随着我国越来越多的隧道投入到运营中，隧道病害的出现也越来越引起人们的关注。根据地质雷达检测发现，实际上隧道衬砌拱顶、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或地下水的腐蚀和冲刷引起，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，伴随出现不同程度的病害，比如衬砌裂损、围岩松弛、起层、剥落、掉块和渗漏水等，更甚者引发隧道衬砌失稳，严重时会发生突发性崩塌。

因此对空洞病害评定需要综合各种因素考虑。本文结合工程实例主要针对衬砌空洞的不同位置分布和环向宽度对隧道结构的影响进行了有限元模拟，得出其对结构受力特点以及变形能力的影响，以及在不同围岩级别下，隧道顶部衬砌背后空洞对衬砌结构安全的影响。

1 隧道计算模型及其参数

某已建隧道最大宽度5.4m，最大高度6.7m，埋深12m小于高度的两倍（13.4m），属于浅埋隧道。隧道上方底层为人工杂填土、淤积层黏土、冲击黏性土层。采用ANSYS软件建立分析模型，为了简化计算，各土层按照层厚进行加权平均，对于计算边界取左右5～6倍隧道宽度，下边取5～6倍隧道高度，最终计算模型如图1所示。对于荷载条件，考虑土体自重，以及超重荷载20kN/m2。对于位移边界，左右边界施加水平方向的约束，下边界施加竖直方向的约束，上边界为地面自由边界。地层模型为Ⅳ级围岩，弹性模量为5GPa，泊松比为0.32，容重为22kN/m3。

图1 计算模型网格划分示意Fig.1 Schematic diagram of computational model meshing

计算模型采用“地层-结构”模型，围岩以plane42单元模拟，混凝土衬砌以Beam3单元模拟。假定空洞沿纵向长度足够长，忽略空洞沿隧道纵向方向的几何尺寸对隧道平面的影响，用平面应变的方法来模拟衬砌背后空洞对衬砌与围岩相互作用。矩形与弧形空洞对应力重分布的影响基本相同［5］，本文采用矩形模拟空洞的影响，如图2所示。同时采用较好模拟岩土力学的Druker-Prager准则。为了反映围岩与衬砌之间的真实作用情况，采用接触单元TARGE169、CONTA171两种二维单元，考虑两种材质的差别，将围岩作为变形体，考虑使存在于空洞区域围岩表面的接触单元失效，来模拟空洞对围岩压力分布规律的影响。

图2 存在空洞的隧道计算模型横剖面Fig.2 Tunnel calculation model with voids

2 计算结果及分析

2.1 空洞尺寸及位置对拱顶位移的影响

从图3模拟结果可以看出，不同位置的空洞对隧道顶点的位移值影响程度不一样。拱顶衬砌背后存在空洞对顶点结构位移影响显著，并且随拱顶环向空洞尺寸的增大，拱顶的位移下也不断减少，其下降趋势在空洞尺寸为0～0.3m时下降比较平缓，在空洞尺寸为0.5m～1.2m时下降呈线性，在空洞尺寸大于1.5m后下降趋势加剧，呈抛物线状。拱顶空洞时，拱顶位移减少是由于拱顶空洞的存在，衬砌失去背面的约束，在原有围岩压力作用下，衬砌在拱顶位置产生向上的回弹，从而拱顶位移减少。而拱腰处空洞对顶点位移大小影响不大，略微有增大趋势，增大不明显。仰拱处存在空洞时，其顶点位移基本没有变化。

图3 衬砌顶点位移随空洞变化曲线Fig.3 Varying curve of lining vertex displacement with cavity

2.2 空洞尺寸及位置对衬砌内力的影响

图4～图6分别为衬砌在拱顶、拱腰、仰拱处内侧受拉的最大弯矩值随衬砌背后空洞尺寸、位置的变化曲线。从图中可以看出：

（1）在拱顶中间存在空洞时，衬砌拱顶处的弯矩随着空洞的环向尺寸的扩大而不断的增大。当空洞尺寸小于0.3m时，拱顶弯矩增加较少；当空洞尺寸在0.3m～1.2m时，拱顶弯矩值呈缓慢线性增加；当空洞尺寸大于1.2m时，拱顶弯矩呈线性迅速增加。而在拱腰，仰拱处内侧受拉最大弯矩略有变化。

（2）衬砌拱腰墙中点处存在空洞时，随着衬砌背后空洞环向尺寸的增加，拱腰处衬砌内侧受拉弯矩刚开始变化缓慢而后逐渐增加。当空洞尺寸小于0.4m时，拱腰弯矩基本未变；当空洞尺寸在0.4m～1.2m时，拱腰弯矩值呈缓慢增加；当空洞尺寸大于1.2m时，拱腰弯矩呈线性迅速增加的趋势。而在拱顶、仰拱处内侧受拉最大弯矩随着拱腰处空洞尺寸的增大变化微小。

（3）衬砌仰拱中点处存在空洞时，随着衬砌背后空洞环向尺寸的增加，仰拱处衬砌内侧受拉弯矩刚开始缓慢增加而后迅速增加。当空洞尺寸小于0.6m时，仰拱弯矩增加很小；当空洞尺寸在0.6m～1.4m时，仰拱弯矩值呈缓慢增加；当空洞尺寸大于1.5m时，仰拱弯矩呈线性迅速增加的趋势。而在拱顶、拱腰处内侧受拉最大弯矩随着拱腰处空洞尺寸的增大变化甚微。

图4 衬砌拱顶弯矩随空洞变化曲线Fig.4 Variation curve of lining vault bending moment with cavity position

图5 衬砌拱腰弯矩随空洞变化曲线Fig.5 Variation curve of lining arch waist bending moment with cavity position

图6 衬砌仰拱弯矩随空洞变化曲线Fig.6 Variation curve of lining invert bending moment with cavity position

2.3 不同围岩等级下拱顶空洞的影响

围岩等级的计算参数见表1，主要依据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）中对各级围岩物理力学参数经验取值。在拱顶存在着沿环向1.2m大小的空洞时，拱顶位移及衬砌内力如图7、图8所示。

表1 不同围岩级别参数Tab.1 Parameters of different surrounding rock levels

图7 在拱顶空洞下不同围岩等级拱顶位移变化曲线Fig.7 Curves of vault displacement changes of different surrounding rock grades under the vault cavity

图8 在拱顶空洞下不同围岩等级衬砌弯矩变化曲线Fig.8 Variation curve of bending moment of lining with different surrounding rock grades under the vault cavity

从图中可以看出，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级围岩下，在拱顶存在空洞时，其拱顶位移变化平缓，Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅵ级围岩下，拱顶位移随着围岩级别的增加而逐渐增大。Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级围岩下，在拱顶存在空洞时，其拱顶、拱腰、仰拱处内侧受拉最大弯矩值平缓增加，Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅵ级围岩下，拱腰、仰拱处内侧受拉最大弯矩值随着围岩级别的增加而迅速增大，拱顶处弯矩值相比Ⅰ级～Ⅲ级围岩略微增大并且趋于平缓，在Ⅵ级围岩下其拱顶弯矩值有所下降。

由此可知，总体上Ⅰ级～Ⅲ级围岩稳定性较好；Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅵ级围岩其稳定性逐渐依次变差。在Ⅳ级、Ⅴ级围岩情况下，拱顶弯矩不再受围岩等级的影响，其受围岩尺寸的影响较大。

3 综合评价方法

本文综合考虑衬砌背后空洞及其他因素对铁路隧道结构的影响［5］，提出对铁路隧道影响评价划分为A轻微、B较严重、C严重、D特别严重四个等级，划分见表2、表3。根据隧道衬砌空洞及其他因素，应按表格中严重程度最高的结果评定其等级。

表2 不同等级划分Tab.2 Definition of different levels

表3 空洞对隧道健康状态综合评定标准Tab.3 Comprehensive evaluation standard of cavity on tunnel health

衬砌空洞等级为A时，需定期重点检查空洞及衬砌内力、裂缝的发展趋势；当为等级B时，需定期监测空洞及衬砌内力、裂缝的发展趋势，必要时采取加固措施，若伴有渗漏水时，应及时进行防排水及补浆；当为等级C时，并伴有较严重开裂或渗漏水时，应加强监测，及早采取注浆、补强及防排水措施；当为等级D时，并伴有严重变形及贯穿裂缝时，应立即采取补强、套衬、全断面改建等加固措施。

4 结论与建议

1.衬砌背后空洞尺寸越大，衬砌受力越不利，其空洞附近接触范围内的衬砌剪力及受拉受压弯矩都将增大，尤其是拱顶存在空洞时，拱顶附近衬砌在较大弯矩、剪力作用下容易出现裂缝，形成掉块等潜在危险，危及隧道安全及人的生命安全。

2.不同位置空洞对结构不同位置的影响程度不同。如当拱顶背后存在空洞时，拱顶范围内内力变化很大，而对拱腰、仰拱处衬砌内力有略微的影响。后期运营中对隧道的监测可以根据空洞位置，重点监测相应变形较大部位。

3.围岩等级越差，空洞尺寸对衬砌内力的影响越明显，拱脚处越容易形成内力集中。而且围岩等级越差，衬砌的内力也迅速增加。因此在Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅵ级围岩下尤要重视衬砌背后空洞对衬砌稳定性的影响。

4.为保证铁路隧道运营期的结构安全，应根据划分的不同等级进行预防和治理。