基于隧道二次衬砌浇筑缺陷的结构受力分析

仲光伟

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

近年来，随着基础设施的建立，隧道在交通运输中有着越来越重要的地位，尤其在中西部多山区地段，隧道起着至关重要的作用。在隧道的施工修建过程中，受施工技术、沿线地质条件等的影响，经常出现当隧道二次衬砌施工完成后，在验收检测过程中出现二次衬砌厚度不足的情况［1］。许赞渊等［2］提出了隧道二次衬砌厚度不足带来的隐患，并且分析了隧道二次衬砌厚度不足的原因，并提出了5种原因；谢云扬［3］指出隧道施工中二次衬砌混凝土的浇筑经常受到技术因素、施工工艺、环境因素和其他一些人为因素的影响，使二次衬砌局部存在空洞、不密实等现象，尤其是在拱腰、拱顶部位更易形成脱空，从而改变二次衬砌的整体受力结构，减弱二次衬砌的支护强度，进而直接影响隧道的安全性能和使用寿命；钱玉佳等［4］提出了隧道二次衬砌受传统灌注工艺的影响，容易在拱顶、拱肩和拱腰部位形成二次衬砌厚度不足的现象；殷庆武［5］提出了这种隧道二次衬砌的缺陷将导致隧道二次衬砌无法与初支和围岩一起主动承担围岩压力，只能被动承担围岩压力，这将大大增加隧道二次衬砌的危险系数；周峰等［6］就通过数值模拟的方法分析了公路隧道二次衬砌厚度不足带来的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度的变化。

研究在不同部位和不同程度下的二次衬砌厚度不足时，引发的隧道二次衬砌位移、应力和塑性区的变化［7-8］，可为隧道工程二次衬砌厚度不足时会引发的危害提供参考。

1 工程背景

该客专隧道全长4 578 m，为双线铁路隧道，马蹄形断面，设计时速为250 km/h，开挖断面面积约151 m2，最大埋深约221 m。隧道岩体呈现中～薄层状结构，开挖后岩层易剥落掉块，为Ⅳ～Ⅴ级围岩。隧道采用复合式衬砌，初期支护采用C25喷射混凝土+钢筋网+钢架，二次衬砌采用C30钢筋混凝土。

2 数值模型

2.1 有限元模型

根据依托隧道围岩呈现层理特性，选取某一断面采用MADIAS GTS进行二维数值模拟。采用荷载结构法计算二次衬砌的内力，二次衬砌采用M-C本构的材料模拟，二次衬砌与周围围岩采用弹性地基弹簧连接，只受压力，二次衬砌厚度取60 cm。二次衬砌厚度不足的部分，因为和初支没有接触，在计算时此位置不加荷载，不加弹簧约束。研究二次衬砌浇筑厚度不够时在受自重和围岩压力下的内力变化，围岩和衬砌结构的材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2.2 荷载计算及工况

2.2.1 荷载计算。隧道洞身段埋深普遍达到50 m，由隧道宽度换算出隧道围岩的塌落拱高度8.21 m，可知此段隧道属于深埋隧道。围岩分级为Ⅳ级围岩。简单考虑自重应力的影响，不考虑构造应力。根据荷载分担比，Ⅳ级围岩二次衬砌分担总的围岩荷载的40%，则作用于二次衬砌上的竖向围岩压力达到75.57 kPa，水平围岩压力7.56 kPa，具体如图1所示。

图1 荷载分布图

2.2.2 计算工况。为研究不同部位二次衬砌浇筑厚度不足引起的二次衬砌内力变化，本研究做了如下假设：浇筑的缺陷主要在2 m的范围内，形状是抛物线状的凹槽；研究了拱顶和右拱肩部分缺陷10 cm、20 cm、30 cm和40 cm的变化。

3 计算结果分析

3.1 衬砌位移收敛

图2为二次衬砌浇筑缺陷20 cm（拱顶缺陷和无缺陷）下的二次衬砌位移变形云图。在图2（a）工况下，隧道二次衬砌相比较无缺陷的工况图2（b），拱顶沉降和左右收敛的变化相对较小；隧道二次衬砌的拱顶部分沉降达到11.18 mm，左右收敛达到20.19 mm，而无缺陷的二次衬砌拱顶沉降仅有4.43 mm，左右收敛3.54 mm。相对于无缺陷的状况，可以看出拱肩缺陷带给二次衬砌受力的灾害是远远超过顶部缺陷带来的危害的。再从位移云图上定性分析，图2（a）工况下变形是对称分布的。

图2 二次衬砌位移云图

图3是顶部缺陷和右拱肩缺陷在各个工况下的位移数据统计分析图。从图3（a）中看，对于拱顶沉降，在相同的缺陷程度下，拱肩缺陷造成的拱顶沉降变化值达到了顶部缺陷引起变化的3倍多。从图3（b）中看，顶部缺陷对于左右收敛几乎不引起变化；但是拱肩缺陷，会引起左右收敛快速变化，前后收敛值达到了4倍的差。综合两个图可知：拱肩的衬砌结构厚度不足问题对于整个衬砌结构的受力和变形有着非常大的影响。

图3 位移数据对比

图4二次衬砌应力云图

3.2 衬砌的应力

图4 是二次衬砌缺陷20 cm时，不同部位厚度不足导致的应力分布云图。在顶部二次衬砌厚度不足时，最小主应力有略微降低的趋势。而在结构拱肩厚度不足时，致使结构应力重分布，衬砌结构的多个位置出现较大的拉应力，且最小主应力大幅度增加，使二次衬砌结构易被拉裂，处于不安全的地位。

图5塑性区分布图

3.3 衬砌的塑性区

图5 是二次衬砌的塑性区分布图。由图5（a）可知，直到拱顶缺陷40 cm时，隧道的二次衬砌才出现塑性区，说明拱顶部位厚度缺陷较小时，一般不会引起结构的局部进入塑性区。反而观察图5（b）时，拱肩缺陷10 cm，就已经出现多处的塑性区，说明拱肩部位的缺陷极易导致结构的局部破坏，使二次衬砌结构处于不安全的状态。

4 结论

本研究以某客专某段隧道二次衬砌浇筑厚度不足为依托，通过上述数值模拟计算分析，得到以下结论。

①隧道二次衬砌浇筑厚度不足时，会引起二次衬砌的变形和应力的快速变化，危及隧道的安全，应引起足够的重视。

②不同部位二次衬砌厚度的不足，所引起的二次衬砌内力和位移变形不同，危害程度也不相同。就本研究中，拱肩部位厚度不足引发的位移、应力和塑性区和变化远远大于拱顶部位衬砌厚度不足导致的变化。因此危害更大，在施工时要更加注重该部位的检查。