• WAP手机版 RSS订阅 加入收藏  设为首页
文章学习

高速公路隧道衬砌背后空洞影响及安全性分析

时间:2024/6/14 8:29:09   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:59   评论:0
内容摘要:何小波(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610000)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...
何小波
(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610000)
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、钢拱架不断浸蚀,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]。


图1 隧道仿真模型网格划分示意图

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。

表1 隧道计算参数统计表
隧道 重度/
(kN/m3) 泊松比 弹性模量/
MPa 黏聚力/
MPa 内摩擦
角/°
围岩 21.5 0.33 3 500 0.4 35.0
初期支护
(混凝土) 24.0 0.30 24 000 2.0 55.0
二次衬砌 25.0 0.25 25 000 3.0 60.0


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。


图2 空洞半径对围岩最大主应力的影响曲线图

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]. 青岛: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. 

相关评论
《交通科技与管理》杂志唯一官方网站