偏压黄土隧道衬砌裂损分析及加固方案研究

贺晓铭,张好旗,张 班,闫正冶

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 450000)

衬砌裂损是隧道中最常见且最易造成不利影响的病害之一[1]。衬砌裂缝不仅会影响隧道的使用,还会在渗水、应力、低温等因素下导致衬砌结构的裂损,进而影响混凝土结构的安全性和耐久性。李洪建[2]定义了安全系数衰减率指标,建立了带裂缝衬砌结构安全性评价方法和标准。钟毅[3]在基于裂损程度与衬砌结构承载能力变化基础上,提出了基于衬砌结构裂损裂缝深度为指标的安全评价方法。余顺等[4]根据高寒地区某隧道裂缝的调查结果,通过裂缝尖端的稳定系数判定衬砌结构安全性,并提出具体加固方案。张晓东等[5]对某公路隧道裂缝分类统计基础上,从地质、设计、施工等方面分析裂缝成因,采取相应防裂对策。张成良等[6]通过对某偏压连拱隧道裂缝段进行应力、位移的监测,结合现场地形地质条件、施工工艺、裂缝分布规律确定联合加固处理措施。孙雪菲[7]针对苟家沟隧道压剪型衬砌裂缝,提出基于板式短锚组合结构的快速微创修缮技术。潘岳等[8]对UHPC加固裂损隧道衬砌的可行性进行分析,并对裂损衬砌和加固层的共同受力机制进行研究。卢峰等[9]对裂损衬砌网-锚、板-锚轻型快速微创组合加固结构的全过程力学特性进行试验研究。王秀丽[10]通过对某岩质隧道衬砌表面裂缝及背后缺陷进行统计分析,并通过数值计算和方案比选,得出隧道衬砌裂损快速修补方案。以上针对衬砌结构安全评价方法、岩质隧道裂缝处理措施、加固结构力学特性进行了研究,目前对于偏压黄土隧道衬砌裂损原因和加固处理方案研究较少。本文依托某穿越陡坎地形的偏压黄土隧道工程,根据衬砌典型裂损段落和地表裂缝调查结果,基于数值模拟分析裂损原因及衬砌安全评价,提出了加筋肋网喷混凝土、钎钉网喷高延性水泥基复合材料、钎钉网喷混凝土3种加固处理方案,同时建立了损伤系数、截面内力、强度安全系数综合评价体系进行比选,提出了最佳加固处理方案,为类似黄土隧道衬砌裂损加固处理提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道工程概况

某隧道为双向四车道分离式隧道,设计速度为80 km/h。隧道开挖宽度为12.68 m,高度为10.17 m,断面面积为101.06 m2。左右线起讫桩号为ZK89+660～ZK93+116(YK89+681～YK93+121),线间距约为45 m。隧道右线出口段围岩为第四系上更新统地层,上部覆盖层为黄土状粉土,稍密～中密状,具湿陷性,湿陷性等级为Ⅱ级,局部夹中密状粉土,土质均匀,洞身为可塑-硬塑状粉质黏土层(见图1),围岩等级为Ⅴ级。

1.2 隧址地形地貌

隧址区属黄土丘陵-黄土梁地貌,地形起伏不平,冲沟发育,沟谷深切。YK92+500～640为陡坎急剧变化段落,隧道埋深从161 m降为62 m,上部坡度约为61°,中部坡度约为47°,底部坡度约为29°。洞身YK92+640～700为一处冲沟沟谷,沟深10～25 m,从右线上方斜交至左线左侧,逐渐绕到与隧道正交的台塬下方位置,沟内岩土体主要为堆积土和黄土状粉土。隧道穿越陡坎地形及冲沟导致YK92+620～850段为地形偏压段落,且右线地势高于左线(见图2)。

1.3 典型衬砌裂损病害段落

YK92+724～748段落经现场衬砌裂缝检测统计,右侧拱腰至边墙存在大量纵向贯通裂缝,尤其在边墙中部存在3～4条相邻纵向裂缝且已发展出1 mm宽的连通裂缝,纵向裂缝宽度最大为2～3 mm,深度最大为16 cm。左侧拱腰至边墙存在大量纵向及斜向裂缝,裂缝宽度多在1 mm以内。拱部存在一条环向贯通裂缝,裂缝宽度为1～1.5 mm。YK92+732处拱顶压溃区域呈近似椭圆形,沿隧道纵向约20 cm,沿横向约15 cm,沿径向压溃深度约5 cm,压溃区中心可见内层环向主筋受压呈尖角形向洞内突出。

2 偏压黄土隧道衬砌裂损分析

2.1 有限元计算模型及材料参数选取

选取典型裂损断面YK92+732,采用ABAQUS有限元软件进行二维数值模型分析(见图3)。在地表布设9个测点进行空间位移监测,数据显示,2019年4月21日至5月23日期间,最大位移为34.8 cm,最小位移为1.5 cm,各测点位移方向显示周边土体向隧道中心移动,地表呈漏斗状沉陷。在5月8日大雨过后,右线YK92+725右边墙纵向裂缝宽度达到2 mm,YK92+730右边墙纵向裂缝宽度达到1.5 mm。因此,在隧道上部另设土体软化区域,软化区域由隧道左右边墙开始,沿与竖向呈15°夹角朝地面延伸。为保证模型边界不受隧道开挖影响,模型左右以及下部边界与隧道外轮廓距离大于5倍洞径。边界条件为两侧水平约束,底部固定约束。围岩和支护结构物理力学参数参考《公路隧道设计规范》进行取值(见表1)。对于软化区域内土体参数,基于有限元强度折减法降低黏聚力c和内摩擦角φ,取原参数80%和60%两种工况(见表2)。假定围岩符合理想弹塑性Mohr-Coulomb屈服准则,二次衬砌按混凝土塑性损伤模型考虑采用实体单元,初期支护采用线弹性梁单元进行等效模拟。混凝土塑性损伤模型假定混凝土材料主要因拉伸开裂和压缩破坏而裂损,受拉和受压的损伤状态由两个独立的硬化变量来描述。当混凝土试件从应力-应变关系曲线的软化段上卸载时,卸载段被软化表明材料弹性刚度发生损伤,通过两个损伤系数dt和dc表示。损伤系数取值范围从0(无损材料)到1(完全损伤材料)。

表1 围岩和支护结构物理力学参数

表2 各工况软化区域土体物理力学参数

图3 断面有限元模型

2.2 数值结果分析

2.2.1 上覆土地表裂缝分析

图4为扩展有限元(XFEM)二维数值模拟YK92+732断面上覆土地表开裂情况。由图4可见,由于隧道上部存在软化区域,造成断面邻近冲沟区域附近出现3条地表裂缝,这些裂缝均由地表沿竖向延伸发育,且与隧道在投影面上距离分别为70.3 m、74.5 m及116 m。图5为现场实际地表裂缝调查结果,可观察到YK92+732断面处在地表裂缝集中发展区,其直接与3号、4号、5号3条裂缝相接,现场踏勘在相接处存在剧烈的错台现象,错台高度可达5～15 cm。通过对比分析,数值模型计算所得隧道上覆土地表开裂情况可近似代替实际地表裂缝位置,自左向右分别对应现场3号、4号、5号地裂缝。冲沟地形雨水汇集下渗作用使沟底堆积土松散,且土体具有湿陷性,上覆土体不稳定,洞内变形加剧,地表产生裂缝。

图4 扩展有限元计算上覆土开裂情况

图5 地表裂缝现场检测结果

2.2.2 衬砌裂损分析

工况一、工况二衬砌裂损云图如图6、图7所示。由图6、图7可以看出,衬砌左、右拱脚至边墙部位内表面存在明显拉伸断裂损伤区域,且衬砌右边墙拉伸断裂区域较左边墙更为严重,断裂区域更大,衬砌拱顶中部内表面存在压缩损伤区域。工况一边墙衬砌最大拉伸损伤系数为0.940,最大开裂深度为8 cm,拱顶衬砌最大压缩损伤系数为0.930(拱顶中部),混凝土压溃深度为7 cm。工况二边墙衬砌拉伸断裂和拱顶压溃区域进一步发展,边墙衬砌最大拉伸损伤系数为0.950(右边墙),最大开裂深度为14 cm,拱顶衬砌最大压缩损伤系数为0.970,混凝土压溃深度为15 cm。衬砌拱顶、拱脚至边墙内表面多处连续区域均出现断裂拉伸损伤系数大于0.900的情况,说明隧道拱顶出现混凝土压溃、拱脚至边墙区域内出现衬砌拉伸开裂破坏。现场调查结果显示边墙两侧裂缝位置较为对称,右侧裂损程度较左侧严重(见图8)。通过数值分析与现场调查结果对比分析,衬砌裂损位置与现场实际开裂位置较为一致,证明数值模型可以较好地反映现场实际衬砌裂损情况。

(a)拉伸断裂损伤云图

(b)压缩损伤云图图6 工况一衬砌裂损云图

(a)拉伸断裂损伤云图

(b)压缩损伤云图图7 工况二衬砌裂损云图

图8 断面衬砌开裂现场调查结果

2.3 衬砌安全性评价

为对衬砌断面安全性进行评价,选取衬砌断面拱顶、拱腰、拱脚和墙脚作为典型部位(见图9),计算典型部位截面内力和强度安全系数[11]。结合地表裂缝和衬砌裂损分析结果可知,YK92+500～640段落隧道埋深降低近百米,且地形沿隧道走向偏压严重,导致右洞洞周地层应力较大。黄土垂直节理发育,加上洞身上方沟谷地形雨水汇集放大土体湿陷作用,地表覆土和洞内围岩变形难以控制,导致地应力进一步释放,衬砌拱顶和边墙内力加大,使衬砌混凝土劣化变形裂损。工况一、工况二典型部位截面内力和强度安全系数如表3所示。混凝土达到抗压极限强度时强度安全系数为1.7,混凝土达到抗拉极限强度时强度安全系数为2.0,由表3可知衬砌拱顶、拱脚部位截面强度安全系数均不满足要求,该断面衬砌结构安全性已无法保障,需进行维修加固。

表3 各工况典型部位截面内力和强度安全系数

图9 断面典型部位截面示意图

3 衬砌加固处理方案比选

3.1 加固处理方案设计

方案一(加筋肋网喷混凝土):①原衬砌裂损表面凿毛处理,深度需大于1 cm;②沿裂缝两侧交替打设直径25 mm中空注浆锚杆;③沿锚杆环向设置4根φ22钢筋加筋肋,采用锚钉与既有衬砌连接;④沿最下排锚杆设置2根φ22钢筋连接;⑤衬砌径向植入φ6钢筋网,采用钢筋锚钉与裂损衬砌固定;⑥喷射12 cm厚C25混凝土。

方案二(钎钉网喷高延性水泥基复合材料):①②同方案一;③衬砌径向植入φ6钢筋网,采用钢筋锚钉与裂损衬砌固定;④衬砌裂损表面喷涂5 cm厚的1.2%纤维参量SHCC材料,加固层分4～5次施作,每次喷射厚度1～2 cm。

方案三(钎钉网喷混凝土):①原衬砌裂损表面凿毛处理,深度大于1 cm;②在缺陷、凿毛区域中植入φ16全长黏结钢筋纤钉,间距30 cm,梅花形布置,植入深度为原衬砌设计厚度的1/2;③挂设双层φ6钢筋网,钢筋网与植筋焊接牢固;④喷射12 cm厚的C25混凝土。

3.2 有限元计算模型及材料参数选取

加固层沿隧道环向布设(见图10)。为研究裂损衬砌加固补强效果,取工况二模型参数进行验算。方案一和方案三采用平面应变模型,数值模拟基于地层-结构法。喷射混凝土采用梁单元,二次衬砌采用基于CDP模型的实体单元,加筋肋采用梁单元。加筋肋的弹性行为通过弹性模量和泊松比确定,塑性行为通过屈服应力和相应的塑性应变进行确定,假定加筋肋是具有应力-应变曲线的双线性弹塑性材料(见图11)。方案一、方案三材料物理力学参数见表4。

表4 方案一、三材料物理力学参数

图10 衬砌加固区范围

图11 加筋肋应力-应变曲线

对于HPSHCC材料,由于应变局部化发生在混凝土加固层(SHCC)中,为有效模拟SHCC的单轴拉伸行为,方案二采用三折线模型(见图12)。点A、B、C分别对应于初始裂纹、峰值应力、最小应力的不同应力位置。点A的应力和应变与SHCC在单轴拉伸行为下相同。点B的应力由拉伸行为获得,应变由最大应力除局部区域长度(Lloc)对应的位移(δB)进行定义。点C的应变由峰后的断裂能定义,等于峰后的应力-位移关系面积。点A、B参数可从室内试验结果得到,点C应力为0,其应变通过断裂能计算可得,公式为

图12 HPSHCC三折线模型应力-应变关系

式中:εB为B点应变;σB为B点应力;Lelm为单位尺寸;Gf为峰后断裂能。

数值模型中SHCC材料弹性模量采用29.0 GPa,断裂能为83.9 N/mm。其他模型尺寸和参数与前述一致,A、B、C 3点应力、应变数值见表5。

表5 方案二材料三折线模型参数

3.3 数值结果分析

方案一、方案二、方案三加固后衬砌裂损云图如图13～图15所示。与图7加固前衬砌裂损云图相比,衬砌拱部裂损范围明显变小,且各方案衬砌加固后均未出现开裂现象。各方案衬砌边墙拉伸断裂最大损伤系数分别为0.181、0.273、0.340,与加固前对比分别下降81%、71%、64%。各方案衬砌拱顶压缩最大损伤系数分别为0.104、0.154、0.359,与加固前对比分别下降89%、84%、63%。各方案衬砌拱顶压缩损伤区域最大压应力分别为10.4 MPa、11.6 MPa、26.3 MPa,未超过C30混凝土单轴抗压强度,表明衬砌拱顶部位未出现混凝土压溃现象。方案一加固层最大压应力为88 MPa,未超过加筋肋屈服强度。方案二加固层最大拉应力为3.28 MPa,最大压应力为18.8 MPa,均未超过HPSHCC材料极限抗拉强度和极限抗压强度。方案三加固层最大压应力为126 MPa,未超过钢筋网屈服强度。通过数值计算结果表明,各方案加固层均能满足材料强度要求,大幅度降低衬砌损伤系数,减少衬砌损伤区域,提高裂损衬砌承载力。

(a)拉伸断裂损伤云图

(b)压缩损伤云图图13 方案一加固后衬砌裂损云图

(a)拉伸断裂损伤云图

(b)压缩损伤云图图14 方案二加固后衬砌裂损云图

(a)拉伸断裂损伤云图

(b)压缩损伤云图图15 方案三加固后衬砌裂损云图

3.4 方案综合比选

各方案加固后典型部位截面内力和强度安全系数如表6所示,与表3工况二加固前各数据对比分析可知,各方案加固后衬砌结构受力较原裂损衬砌均减小,结构强度安全系数均增大,安全度明显提高,均能有效恢复裂损衬砌结构承载力。取断面拱顶、拱脚部位作为加固处理效果评价依据。分析拱顶部位A处,各方案加固后衬砌截面轴力较未加固时分别下降49%、43%、18%;衬砌截面弯矩较未加固时分别下降70%、63%、42%;衬砌结构强度安全系数较未加固时分别提高6.21倍、5.05倍、2.92倍。分析右拱脚部位C处,各方案加固后衬砌截面轴力较未加固时分别下降49%、41%、18%;衬砌截面弯矩较未加固时分别下降52%、48%、30%;衬砌结构强度安全系数较未加固时分别提高11.79倍、10.75倍、7.64倍。分析左拱脚部位F处,各方案加固后衬砌截面轴力较未加固时分别下降26%、21%、11%;衬砌截面弯矩较未加固时分别下降46%、41%、24%;衬砌结构强度安全系数较未加固时分别提高1.34倍、1.16倍、0.73倍。从拱顶、拱脚典型部位处治效果分析:方案一>方案二>方案三。此外,方案三加固后拱脚部位结构强度安全系数分别为2.42、2.41,富裕度较低。对于受力最大部位左拱脚截面轴力、弯矩和强度安全系数,方案二分别是方案一的1.07倍、1.09倍和0.92倍,方案一与方案二加固后典型部位结构受力、强度安全系数相差不大。方案二加固层厚度对隧道净空空间侵占更少,施工工艺对原受损衬砌扰动较小且SHCC材料对衬砌表面具有表面保护、自愈合、耐腐蚀等可持续功能[12],故推荐采用钎钉网喷高延性水泥基复合材料加固方案。

表6 各方案加固后典型部位截面内力和强度安全系数

4 结论

依托某穿越陡坎地形的偏压黄土隧道工程,基于现场裂缝调查、地表监测、数值模拟,对典型衬砌裂损段落进行分析与研究,综合衬砌安全评价和加固处理措施,得出以下结论:

(1)地形、地质、地表水下渗对偏压黄土隧道围岩变形影响较大。其中冲沟处地下水渗流导致围岩强度弱化,陡坎地形和地形偏压使地应力释放,围岩变形难以控制,导致衬砌受力变形裂损,产生地表裂缝。

(2)通过对各方案加固后损伤系数和拱顶、拱脚部位截面轴力、弯矩和强度安全系数综合对比分析,其加固处理效果为方案一>方案二>方案三。方案二与方案一相比,拱顶、拱脚部位结构强度安全系数接近且加固层应力较小,HPSHCC材料喷层厚度不足方案一喷混凝土层厚度的一半,侵占隧道空间更少;SHCC材料与普通混凝土相比耐久性能更好。因此,钎钉网喷高延性水泥基复合材料为偏压黄土隧道衬砌裂损加固处理最佳方案。