高速公路隧道衬砌背后空洞影响及安全性分析

何小波

摘要 为了保证公路隧道建设水平，文章总结了衬砌背后空洞产生的原因，并以某山区公路隧道为研究对象，利用有限元软件建立计算模型，分析空洞尺寸和空洞位置对围岩应力、衬砌病害的不利影响。同时，将隧道衬砌空洞风险划分为Ⅰ～Ⅳ四个等级，并结合风险等级制定了空洞处治措施，研究成果可为类似项目提供借鉴。

关键词 公路隧道；衬砌空洞；仿真模型；围岩应力；安全控制

中图分类号 U457.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）05-0099-03

0 引言

近年来，高速公路建设里程增加，隧道结构的规模也不断扩大，对建设质量要求也更加严格。空洞是公路隧道衬砌最常见的一种病害，其最大特点就是隐蔽性好。如果不能及时发现空洞病害、准确分析空洞影响，可能会导致隧道在施工和运营期间出现衬砌开裂、局部坍塌等病害，甚至会造成人员伤亡。因此，进一步研究高速公路隧道衬砌背后空洞影响及安全性具有重要意义。

1 隧道衬砌背后空洞形成原因和不利影响

1.1 衬砌空洞形成原因

1.1.1 初期支护背后空洞原因

公路隧道开挖多采用“新奥法”（新奥地利施工方法），要求爆破开挖形成的掌子面轮廓线尽量光滑圆润，与设计轮廓线基本保持一致。但是实际开挖时，往往会因工程地质差、炮眼布置偏差、爆破人员技术差等原因而产生超挖。如果围岩超挖采用粒径较大，空隙率大的材料回填，将会使初期支护背后形成空洞。

对于使用锚喷支护体系的公路隧道，如果喷射混凝土的配合比不合理，在硬化期间会出现过大收缩，使得喷射混凝土与围岩表面产生空洞。同时，当锚杆数量或长度不足时，锚杆与隧道围岩形成的悬吊效应、组合梁效应难以充分发挥。此时，锚杆插入节理裂隙发育，岩石破碎的围岩容易产生空洞。

公路隧道多采用“以排为主，排堵结合”的防排水原则。如果隧道防排水设施设计不合理，初期支护背后受地下水冲刷后会带走部分泥沙。同时，在地下水压力作用下，初步成型的喷射混凝土会产生变形。上述两种情况都容易导致隧道初期支护背后产生空洞。

1.1.2 二次衬砌背后空洞原因

隧道二次衬砌背后出现空洞主要受两大因素的影响[1]：一是初期支护厚度不足。当隧道初期支护喷射混凝土厚度不足时，混凝土无法完全充填围岩开挖引起的凹坑，难以与拱架齐平。此时喷射的二次衬砌难以和初期支护紧密贴合，二次衬砌背后会出现空洞。二是材料性能差。当二次衬砌混凝土的配合比不合理，在硬化期间会出现过大收缩，使得二次衬砌厚度不足。如果混凝土收缩严重，二次衬砌背后可能出现大面积空洞。

1.2 隧道结构安全性的影响因素

公路隧道在施工和运营期间可能因空洞产生衬砌开裂、塌方、突涌水等病害，具体病害情况受地质、地应力、地下水等因素影响较大，具体阐述如下[2]：一是地质因素。在地质构造运动作用下，岩体中会产生各种节理、裂隙等结构面，影响岩体整体性和强度。如果结构面倾角较大，且其与软岩浅埋隧道的轴线夹角较小，围岩安全性较差。反之，结构面走向对隧道安全性影响不大。二是地应力。公路隧道经开挖后，地层应力会重新分布。当二次应力大于围岩强度，会使围岩变形过大，从而导致隧道失稳。隧道失稳在洞顶表现为岩块掉落或塌方，在边墙表现为净空收缩，在洞底表现为起鼓。三是地下水。在地下水长期浸泡下，初期支护和二次衬砌的强度和耐久性会降低，从而增加了支护体系破坏的可能，降低了隧道的安全性。尤其是具有膨胀性的软岩隧道，围岩会吸水膨胀，安全性更差。

1.3 衬砌空洞对隧道结构的不利影响

如果空洞出现早期未被发现并处理，可能对隧道结构安全产生重大影响。经分析，衬砌空洞对隧道结构的不利影响主要体现在：在公路隧道支护体系中，围岩不仅是作用在支护结构上的荷载，还具有承载作用，需与隧道衬砌紧密贴合。在隧道衬砌背后出现空洞后，衬砌与围岩之间处于“脱空”状态，空洞范围内的衬砌不再承受围岩压力，并使衬砌背后围岩压力重新分布，产生应力集中问题。而在设计阶段，隧道衬砌是按围岩完整计算的，可能会使衬砌等级不足。在围岩压力作用下，衬砌容易出现开裂、掉皮等问题。

当衬砌背后空洞处于地下水发育路段时，空洞会成为地下水存储空间，对衬砌混凝土、钢筋、钢拱架不斷浸蚀，降低初期支护或二次衬砌的承载力，严重时会导致隧道局部坍塌。

2 隧道衬砌背后空洞仿真模拟

2.1 工程概况

2.1.1 设计参数

研究对象为某山区高速公路隧道，属中隧道，其左线长950 m（起讫桩号ZK10+100～ZK11+050），右线长955 m（起讫桩号YK10+100～YK11+055）。隧道开挖拟采用CRD法（中隔墙法），洞身衬砌为复合式衬砌，即初支和二衬联合使用，并设置防、排水夹层，洞门为端墙式，最大净高6 m，最大净宽10.5 m，侧墙高度为5 m。

2.1.2 建设条件

由勘察资料可知，隧道进、出口段位于斜坡上，斜坡自然坡度约25 °～35 °，工程地质条件较差，曾在连续降雨下出现滑坡。隧道场地地貌属构造剥蚀低山地貌，最大埋深为105 m，洞身围岩以泥岩夹砂岩为主，节理裂隙较发育，无贯穿性构造，围岩单轴饱和抗压强度＜30 MPa，属软岩，围岩等级均为Ⅴ级。同时，隧道地下水以孔隙潜水、基岩裂隙水为主，隧道施工时的出水状态为点滴状，局部为淋雨状，要注意疏导。

2.2 仿真模型建立

2.2.1 仿真模型

公路隧道开挖只对其周围一定范围的围岩受力产生影响，当隧道中线到计算模型边界的距离达到隧道直径的3倍时，作用在支护结构上的围岩应力基本可忽略。因此，在建立隧道计算模型时，隧道结构尺寸按设计尺寸建立，隧道开挖轮廓线到左边界和右边界取3倍洞径、到上边界距离按实际标高确定、到下边界取2倍洞径。

为了保证计算效率和计算精确度，隧道围岩和衬砌采用实体单元（六面体）模拟，对隧道周边1倍洞径及模型四角的网格进行加密处理，尺寸取0.5 m，其他位置网格尺寸取1.5 m，共划分出1 105个单元和1 210个节点，如图1所示[3]。

2.2.2 边界条件

隧道围岩属于弹塑性体，可采用摩尔-库伦准则模拟其应力应变关系，见式（1）[4]。

τn=σntanφ+c （1）

式中，τn——围岩剪切力（kPa）；σn——围岩正应力（kPa）；φ——围岩内摩擦角（°）；c——围岩黏聚力（kPa）；

对于仿真模型，模型顶为自由边界，不需约束，只需约束左、右、前、后、底边界。其中，左、右边界约束水平位移，前、后边界约束纵向位移及底边界完全约束。

2.2.3 计算参数

统计了隧道围岩和衬砌的物理力学参数，见表1。

初期支护中的钢拱架采用“等效法”模拟，将其强度等效成喷射混凝土中考虑，可按式（2）计算[5]：

（2）

式中，E——折算后初期支护弹性模量（MPa）；E0——混凝土弹性模量（MPa）；Eg——钢拱架弹性模量（MPa）；Ag——钢拱架截面面积（mm2）；Ac——喷射混凝土截面面积（mm2）。

2.3 空洞对隧道围和岩衬砌的影响

2.3.1 空洞尺寸的影响

假设该隧道拱顶衬砌背后存在圆形空洞，利用有限元软件计算了围岩在不同空洞半径下的最大主应力，如图2所示。

隧道拱顶空洞越大，围岩最大主应力越大。当空洞尺寸从0.05 m增加至1 m，隧道围岩最大主应力分别增加了0.04 MPa、0.09 MPa、0.14 MPa、0.19 MPa、0.25 MPa、0.31 MPa，增加幅度分别为11.3%、22.5%、31.1%、38%、44.6%、50%。出现这一现象的主要原因在于空洞的存在改变了围岩应力状态，出现应力集中现象。空洞尺寸越大，围岩应力集中越明显。随后，用一元一次方程拟合了空洞半径x和围岩最大主应力y的关系，拟合方程为y=0.33x+0.31，用该拟合方程可预测任意空洞半径对应的围岩最大主应力，为施工安全监控提供理论依据。

2.3.2 空洞位置的影响

在空洞尺寸不变的条件下，利用有限元软件计算了不同位置空洞对衬砌的影响：当空洞在拱顶位置时，衬砌容易产生纵向裂缝，且由衬砌内侧先开裂；当空洞在拱肩位置时，只有空洞边缘处衬砌应力增大，对衬砌危害较小；当空洞在边墙位置时，衬砌内侧和外侧主应力大幅增加，衬砌容易出现爆裂，威胁施工安全。

3 衬砌背后存在空洞的隧道安全控制

3.1 衬砌空洞风险等级划分

由上可知，公路隧道衬砌背后空洞形成机理复杂，影响因素多，有必要对衬砌空洞风险等级进行划分，并作为控制处治措施选择的依据。该文结合空洞尺寸、衬砌渗漏水、衬砌承载力、开裂情况、衬砌开裂情况等因素将衬砌空洞风险划分为Ⅰ～Ⅳ四个等级，不同等级的具体划分标准见表2。

3.2 衬砌空洞安全控制措施

在实际项目中，应对隧道衬砌背后空洞情况进行充分调查，结合表2划分标准将空洞病害划分不同风险等级，并选择相应处理措施。该文总结了常见隧道空洞病害类型、风险等级及相应的控制措施等，见表3。

4 结论

该文分析了公路隧道衬砌背后空洞的产生原因、空洞尺寸和空洞位置对围岩衬砌的具体影响，并提出了衬砌空洞的风险、安全控制措施等，得到以下结论：

（1）公路隧道的初期支护和二次衬砌背后均有可能出现空洞，主要受隧道开挖、超挖回填、喷射混凝土、锚杆、防排水等因素的影响。

（2）隧道有限元计算模型不宜过大或过小，网格尺寸划分要综合考虑计算效率和计算精度，并合理设置边界条件。

（3）隧道衬砌背后空洞尺寸越大，围岩应力集中问题越明显，最大主应力越大，且空洞半径与围岩最大主应力基本呈线性关系。

（4）隧道衬砌空洞风险可划分为Ⅰ～Ⅳ四个等级，并结合风险等级采用注浆、锚杆加固、防排水、拆除和更换衬砌等措施。

参考文献

[1]唐浩， 李有福. 隧道衬砌背后空洞的地质雷达检测试验与模拟研究[J]. 黑龙江交通科技， 2021（6）： 142-143.

[2]车增军. 直墙式隧道衬砌背后空洞对结构安全性影响研究[D]. 青島：青岛理工大学， 2020.

[3]雷栋. 浅析隧道衬砌背后空洞处治[J]. 土工基础， 2020（2）： 117-120.

[4]张素磊， 齐晓强， 刘昌， 等. 公路隧道衬砌背后空洞分布特征及其对衬砌结构的影响[J]. 建筑科学与工程学报， 2020（2）： 62-70.

[5]张子韵， 李思， 卢锋， 等. 浅埋偏压隧道衬砌背后空洞对结构安全性影响[J]. 四川建筑， 2018（5）： 114-116.