隧道衬砌与围岩松散接触对隧道结构安全的影响研究

龙腾 李清海

摘要：为探讨衬砌后与围岩松散接触状态对隧道安全性的影响，文章以巴平高速公路隧道为例进行了试验研究，总结了松散接触状态对衬砌结构在不同密实度和不同松散接触面积下力学性能的影响。结果表明：为了保持衬砌结构的稳定性，建议衬砌后回填灌浆的密实度应在80%以上，强度应达到围岩强度的50%以上。

关键词：隧道衬砌；围岩松散；隧道结构；密实度

中图分类号：U456.3+1 A 42 138 4

0 引言

公路隧道衬砌结构与围岩之间的有效接触在发挥结构承载力和确保隧道安全稳定运行方面起着重要作用［1］。目前，对隧道衬砌后空隙的研究较多。有研究认为弹塑性有限元分析可用于探索孔隙的不同尺寸、位置和深度对衬砌变形和应力重新分布的影响［2］；有学者对现有污水管或圆形隧道壁后的侵蚀空隙进行了三维（3-D）数值分析［3］；张治国等［4］进行了模型试验，以评估局部接触损失影响下衬砌结构和围岩的力学行为；尹超等［5］还采用了各种无损检测（NDT）方法来评估衬砌质量，同时对隧道施工的安全性进行了全面调查。

然而，这些研究大多局限于在研究衬砌后的空隙时，假定衬砌结构与围岩不完全接触。在实际工程中，衬砌结构与围岩之间的接触状态是复杂的，并随着时间的推移而变化。由于地下水的作用、开挖不当、衬砌后回填灌浆不足等原因［6］，在大多数情况下，衬砌后留下的小空隙使衬砌结构与围岩松动部分接触，且衬砌后回填灌浆区的密实度或强度不足是否对衬砌结构的安全产生影响，需进行深入研究。因此，本文主要研究隧道衬砌与围岩之间的松散接触对公路隧道安全的影响。

1 数值模拟

1.1 数值模型

使用Abaqus v6.14-1软件（Dassault Systèmes，Providence，RI）用于数值分析衬砌后接触状态对衬砌结构安全性的影响。数值模拟中使用的隧道几何结构如图1所示。将衬砌结构背面的一部分设置为松散接触区域，根据非完整的接触条件，将其与岩体的非完整接触状态划分成两类：（1）松散区域内有许多小空隙；（2）松动区域内的岩石或灌浆材料强度不足［7］。

图1所示为数值模拟模型。在本研究中，由于主要目的是分析衬砌与围岩之间松散接触的影响，衬砌被简化为一个整体。根据工程设计资料，衬砌的厚度取0.65 m，隧道的深度为18.72 m。为使边界影响最少，边界与通道的间距应当是通道间距的21倍。在本研究中，设定模型长40 m、宽120 m、高48 m。在隧道中间到横线的间距是5个洞长，而在通道的下面和下面的边界处则是4个洞高。通过优化松散区及衬砌结构的网格，确保了数值模拟的精确度。总共有70 344个网格，网格类型是线性六面体元素C3D8。

在衬砌与周边岩体的交互界面中，采用面-面的接触方式来研究接触压力的变化。用指数法定义的惩罚性接触刚度被正常应用，库仑摩擦（摩擦系数为0.8）被切向应用。根据Mohr-Coulomb屈服准则，周围的岩石被认为是理想的弹塑性材料。此外，垂直边界的水平位移被约束，而模型的底部在垂直方向被约束。根据隧道开挖的程序，选择地质静力程序来建立初始地质静力场，开挖后衬砌和空隙同时被激活。

1.2 模型参数

本研究采用了7个不同的密实度（10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%）。对于松散区岩石的强度不足，通过逐步降低岩石强度参数来模拟。松散区域的岩石强度分别被削弱了30%、50%、70%和90%。具体参数如表1所示。

1.3 工程背景

以广西巴平高速公路隧道为研究对象。该隧道的施工采用了传统的钻爆法。在钻孔和爆破后，周围岩石被复合衬砌所支撑。隧道一开始用近0.1 m厚的喷射混凝土支撑，然后用现浇钢筋混凝土衬砌支撑隧道。由于衬砌结构表面出现了裂缝，为了维护隧道结构的安全，对衬砌结构进行了质量评估。然而，不仅在衬砌结构后面发现了空隙，还发现了衬砌结构和周围岩石之间的松散接触。衬砌结构和围岩之间的不完全接触状态威胁着隧道的运行安全。因此，为了研究衬砌结构与围岩之间的不完全接触对衬砌结构安全的影响，选择了隧道的DK553+418～DK553+434段作为研究对象。该试验段围岩为软硬夹层，岩体比较完整；混凝土衬砌的抗压强度为30 MPa；一级衬砌的厚度为0.15 m，二级衬砌的厚度为0.5 m。

2 隧道衬砌后密实度不足的影响

2.1 内力变化

为探讨松散区密实度对衬砌结构安全的影响，采用数值模拟方案。衬砌结构内力的变化规律是随着松散区的密实度从0增加到100%进行模拟的。当密实度为0时，衬砌结构不与岩体后部接触；当密实度为100%时，衬砌结构与围岩密集接触。

如图2所示为内力随衬砌后松散区域的密实度而变化情况。为了突出变化趋势，计算了密集接触状态的内力与内力之比。提取了衬砌结构的轴向力，如图2（a）所示。在隧道拱顶处，衬砌结构的轴向力最大减少约60%。随着松散区域密實度的增加，衬砌结构的轴向力趋向于衬砌后紧密接触状态的内力。当密实度＞70%时，内力最大值为2.5 kPa。同时，提取了衬砌结构的弯矩，如图2（b）所示。随着密实度的增加，拱顶和拱腰处衬砌结构的弯矩变化最明显。随着松散区域的密实度降低，松散区域内部空隙增加，衬砌结构与围岩之间的接触状态逐渐接近非接触状态（V60D）。而且，在开挖后，由于隧道疏密程度的增大，拱顶的内衬结构会发生外弯，并且会逐步变薄，而隧道拱腋处衬砌结构向内弯曲并增加。当密实度＜70%后，衬砌结构拱顶处的弯矩相对于密集接触状态增加了约29倍，衬砌结构拱腰处的弯矩增加了约2倍。

如图3所示为沿衬砌结构纵向平面的内力随松散区域密实度的变化情况。轴向力的变化如下页图3（a）所示。松散区域的密实度越大，衬砌结构的内力变化越小。拱顶处的衬砌结构向内弯曲，而松散区域内的结构则随着密实度的降低而上移到松散区域的内部。因此，在松散区域范围内拱顶处衬砌结构的轴向力明显下降。然而，松散区域外的衬砌结构没有明显变化，只有在距离松散区域边缘约4 m处，衬砌结构的轴向力才略有增加。弯矩的变化如图3（b）所示。与衬砌后面的密集接触状态相比，弯矩的方向没有改变。由于衬砌结构向外弯曲而产生的负弯矩随着松散区域内密实度的降低而增加，松散区域对弯矩变化的影响范围约为3 m。

2.2 接触压力的变化

衬砌结构和周围岩石之间的接触压力随着衬砌后松散区域密实度的变化而变化，如图4所示。如图4（a）所示为沿隧道轴线的接触压力的分布。当衬砌后松散区域的密实度在80%～90%时，由于存在小的空隙，接触压力分布不均匀。当密实度逐渐降低时，松散区域内的空隙逐渐相互连接，最后形成一个空洞，这使衬砌结构与周围岩石不接触，且进一步导致衬砌结构后面的松散区域周围的接触压力非线性增加，最大增幅为26%；当衬砌结构与岩石非线性接触后，接触压力达到最大。图4（b）所示为最大接触压力与密实度之间的关系。在松散区周围3 m范围内，衬砌结构的接触压力与密实接触状态相比增加了近50%，而在松散区内部，随着密实度的降低，接触压力趋向于0。同样，当密实度＜70%时，与密实度＞70%相比，接触压力增加了近30%。

3 松动接触面积的影响

3.1 内力变化

为了探讨松散接触面积变化对衬砌结构安全性的影响，在隧道拱顶后面设置了一个密实度为50%的松散区域，分别为V15D、V30D、V45D、V60D和V80D。衬砌结构后面松散接触区域的长度和宽度成比例增加，衬砌结构的内力变化如图5所示。其中，衬砌结构轴向力的变化如图5（a）所示，随着松散接触面积的增加，拱顶处衬砌结构的轴向力受到拉伸并逐渐减小，比密集接触状态小约80%。衬砌结构弯矩的变化如图5（b）所示，与密集接触状态相比，随着松散接触区域的增加，松散接触区域内衬砌结构弯矩的最大变化是在拱顶和隧道拱腰处，其他位置的变化较小。与衬砌后方空隙的情况类似，拱顶处衬砌结构的弯矩向外弯曲，并随着松散接触面积的增加而显著增加。当隧道拱腋处衬砌结构后面的松散接触面积＞25 m2时，衬砌结构的弯矩方向发生变化，衬砌结构从向外弯曲变为向内弯曲。

3.2 变形

图6（a）所示为荷载（100 kPa）下隧道拱顶沿线衬砌结构的变形示意图。松散区两侧衬砌结构的变形随强度的增加而增加；在松软地区，因其岩体的受力不如两边的岩体，故松散部位的位移较少。AP90条件下，岩体的强度明显下降，而疏松部位则趋于无接触。在松动区的两端，由于受力的影响，其变形幅度增大。从图6（b）中可以看出，在混凝土拱桥的受力不足比＞50%时，拱顶竖直变形坡度增大，对应的位移量增大，最大变形量达到1 255 mm。

4 结语

衬砌后松散接触区强度不足对衬砌结构安全的影响主要集中在结构的松散接触区域内。衬砌后的回填灌浆强度应在围岩强度的50%以上，否则将对衬砌结构的安全造成极大的危害，特别是当松动区范围增大，隧道衬砌逐渐被包围时。因此，应保证衬砌后面回填灌浆的强度，避免松散的接触区被开发出来并相互连接。

参考文献

［1］康 凯，王正中，董 鹏，等.高地下水复杂地层盾构隧洞围岩渗透系数及外水荷载的反演分析［J］.水利与建筑工程学报，2022，20（5）：35-41.

［2］戴晓威，吉小明，高 鹏.临海隧道复合衬砌结构解冻前后荷载分担比研究［J］.广东建材，2020，36（10）：53-58.

［3］张顶立，张素磊，房 倩，等.铁路运营隧道衬砌背后接触状态及其分析［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（2）：217-224.

［4］张治国，张孟喜，冯 驹，等.列车荷载作用下纤维混凝土材料隧道衬砌受不同裂缝特征影响的结构稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2022，41（S1）：2 927-2 943.

［5］尹 超，朱星宇，张志强.近断层地震下城市隧道动力响应与衬砌选型［J］.科学技术与工程，2021，21（35）：15 209-15 214.

［6］黄文华，张 云.基于浆液扩散的软弱围岩隧道注浆加固效果研究［J］.公路，2021，66（8）：355-359.

［7］宋戰平，刘彦龙，张玉伟.黄土隧道深浅埋界限划分研究现状及展望［J］.隧道与地下工程灾害防治，2021，3（2）：1-15.

收稿日期：2023-07-20