高速公路隧道二次衬砌裂损机理及安全分析

高速公路隧道二次衬砌裂损机理及安全分析
郑欣;程崇国
【摘要】隧道衬砌裂损影响衬砌结构的整体稳定性,使隧道衬砌承载能力减弱,严重威胁隧道内行车安全,缩短了隧道的维护周期和使用寿命.基于衬砌裂损机理分析,文章对围岩变形机制与衬砌受力及变形机制进行了研究.结合重庆已竣工验收的5个高速公路隧道项目,采用荷载结构法建立计算模型,对拱部衬砌欠厚及脱空缺陷、边墙衬砌欠厚及脱空缺陷、不同部位衬砌欠厚及脱空缺陷分别进行了安全分析.该研究为衬砌裂损产生原因分析提供了借鉴,也为后续隧道衬砌裂损的防治与加固修复打下了基础.%Tunnel lining crack damage affects the overall stability of lining structure, including abating the bearing capacity seriously threatening tunnel driving safety and shortening the maintenance cycle and service life of the tun-nel. Based on the analysis of lining crack damage mechanism, this paper studies the deformation mechanism of sur-rounding rock, lining stress and deformation. Taking the five completed and accepted highway tunnel projects in Chongqing as study cases, this paper makes safety analysis of the under-thickness and disengaging defects of the arch lining, side wall and different parts by the calculation model of load structure method. The study would not only provides some reference for cause analysis of lining crack damage, but also laid the foundation for prevention, rein-forcement and repair tunnel lining crack damage.
【期刊名称】《广东交通职业技术学院学报》
【年(卷),期】2015(014)004
【总页数】4页(P16-19)
【关键词】裂损;围岩变形;欠厚;脱空;安全分析
【作者】郑欣;程崇国
【作者单位】重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074;招商局重庆交通科研设计
院有限公司,重庆400067
【正文语种】中文
【中图分类】U455.91
1 工程概况
在重庆进行竣工验收的5个高速公路隧道项目：水界高速、武水高速、石忠高速、云万高速、绕城高速，共计50余座隧道，合计单洞长度超过180 km，其中特长
隧道12座。

在以上项目竣工验收检查过程中，均发现了大量衬砌开裂现象，而这些项目在交工检测时技术状态较好，裂损病害较少。

2 衬砌裂损机理
导致隧道衬砌裂损的主要原因有两大类[1]：一是衬砌结构外部围岩条件变化引起
的围岩变形过大，导致衬砌裂损；二是衬砌结构本身存在一些缺陷，如衬砌厚度不足、强度不足、衬砌背后存在空洞或衬砌后回填不密实等引起的衬砌变形过大，最终导致的衬砌裂损。

隧道衬砌结构包括初期支护中的锚喷支护、钢拱架、钢筋网支护和二次衬砌，这是公路隧道最重要的受力结构[2]。

结合相关文献的研究成果，将隧道衬砌厚度不足
或衬砌背后存在空洞导致的衬砌裂损归结为由弯张作用引起拉应力过大导致衬砌受拉裂损和剪切作用引起剪应力过大导致衬砌错台裂损[3]。

3 材料物理力学参数和荷载计算
隧道及地下工程结构与地上结构相比，虽然在几何上都可简化为框架结构，由于隧道及地下结构在上覆土载荷的作用下，其变形要受到周围土体本身的约束，从某种意义讲，围岩是隧道结构上的荷载，但同时也是结构本身的一部分。

所以，必须考虑结构与围岩间的相互作用问题，这一相互作用问题可以用“荷载—结构法”来概括。

荷载—结构模型都是以承受岩体松动、坍塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征。

本次采取荷载—结构法中主动荷载加被动荷载模型来计算二次衬砌的内力和变形。

具体应用中，采用Plane42单元模拟围岩，采用Beam3单元模拟喷射混泥土和钢拱架，对有限元模型中的节点和单元施加边界条件和荷载，见图1。

3.1 材料物理力学参数
在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩条件下，围岩、初期支护、二次衬砌的物理力学参数如表1所示[4]。

表1 材料物理力学参数?
3.2 荷载计算
在荷载的计算中，竖向压力采用土柱自重，水平压力用竖向荷载乘以侧压力系数0.5[5]表示。

由于公路隧道为山岭隧道，地下水不丰富，故按水土合算考虑。

本次计算取埋深2B为隧道跨度，B=10.5 m，所以埋深H为21 m，荷载的计算结果如表2所示。

表2 荷载计算?
4 衬砌背后脱空及欠厚受力安全分析
4.1 拱部衬砌欠厚及脱空缺陷
隧道拱部是空洞最易出现的位置，本次针对Ⅳ级围岩，在深埋条件下，分别对拱部30°及120°存在空洞及衬砌厚度不足条件下，衬砌产生裂损病害的机理及位置和顺序进行了研究[6,7]。

当衬砌背后存在空洞时，在空洞处不施加荷载及地层抗力，
模型见图1。

根据以上计算模型，可计算出衬砌在拱部30°及120°存在空洞及衬砌厚度不足条
件下，衬砌的弯矩，见图2。

图1 衬砌拱部存在空洞及厚度不足缺陷时计算模型
在围岩压力作用下，空洞部位因无被动抗力约束而向上抬起，两拱腰为最不利受力位置，向内位移及负弯矩最大，在荷载作用下，拱腰处最先出现裂缝；对于正弯矩，拱顶最大，边墙次之，但对于轴力，衬砌均受压，边墙处轴力大于拱部，当荷载不断增加时，空洞衬砌外侧因拉应力较大而开裂，在边墙内侧，因弯矩产生的压应力与轴力叠加，该处会出现压裂缝；当拱部空洞扩大时，边墙与拱部位移、最大弯矩将增大，并且位置将出现上移，因此，其开裂位置也将上移，荷载增加时，空洞范围大者也较小者向出现裂缝。

图2 拱部30°和120°存在空洞及衬砌厚度不足时衬砌弯矩图
4.2 边墙衬砌欠厚及脱空缺陷
当边墙存在空洞及衬砌厚度不足条件下[8]，衬砌的内力，见图3。

衬砌向内位移
最大处为拱顶靠空洞侧，向外位移最大处为空洞位置。

当回填层施做后，最大正弯矩为空洞位置，最大负弯矩为空洞上方边缘。

当荷载增加时，在空洞处，因弯矩在内侧产生的压应力与轴力叠加，会出现较大的压应力，因压应力过大会压裂缝；在空洞上方，因轴力较小，在衬砌内侧，会产生拉应力，其因轴力产生的抵消部分较小，因此，该处会出现拉裂缝。

图3 边墙存在空洞及衬砌厚度不足时衬砌轴力图和弯矩图
4.3 不同部位衬砌欠厚及脱空缺陷
当衬砌拱部及边墙均出现空洞时[9,10]，衬砌向内位移最大处为拱腰靠空洞侧，其次为对应的另侧拱腰处；向外位移最大处为边墙空洞位置。

正弯矩大小分布为边墙空洞处最大，其次为拱顶空洞处；回填层施做后，负弯矩最大值为拱腰靠空洞侧，对应的另侧拱腰处次之。

对于轴力基本呈对称状，拱顶至边墙逐渐增大。

衬砌在边墙及拱顶均存在空洞及衬砌厚度不足条件下，衬砌的内力，见图4。

5 结论
对衬砌背后脱空及欠厚受力安全进行分析，得出拱顶存在空洞时，拱腰首先出现裂缝，随着后期荷载增加时，空洞衬砌外侧应拉应力较大而开裂，在边墙内侧，出现压裂缝；而拱部空洞扩大时，开裂位置将向上移动，荷载增加时，空洞范围大者较小者先出现裂缝。

边墙出现空洞时，随着后期荷载的增加，在空洞处会出现压裂缝；在空洞上方的衬砌内侧，会出现拉裂缝。

当荷载增加时，对于边墙和拱顶均存在空洞时，随着后期荷载的增加，首先在空洞处出现压裂缝；其次，在空洞侧拱腰处，会出现拉裂缝，最后在密实侧拱腰处将相继出现拉裂缝。

图4 边墙及拱顶均存在空洞及衬砌厚度不足时衬砌轴力图和弯矩图
【相关文献】
[1]宋瑞刚，张顶立，伍冬，李鹏飞．隧道衬砌结构裂损机理及定量评估[J]．北京交通大学学报，2010，(4)：22-26+35.
[2]汪婕舒．青藏铁路格拉段昆仑桥隧道衬砌裂损机理及整治技术研究[D]．北京交通大学，2009.
[3]苏生．公路隧道二次衬砌开裂机理与抗裂性试验研究[D]．浙江大学，2008.
[4]王宁，张立胜．双连拱隧道施工阶段衬砌裂损状态成因的研究[J]．现代隧道技术，2012，(1)：78-83.
[5]中华人民共和国交通部．JTG D70-2004公路隧道设计规范[S]．北京：人民交通出版社，2004.
[6]周强．高速公路隧道衬砌背后空洞影响及安全性分析[D]．重庆交通大学，2013.
[7]朱春生，杨晓华，来弘鹏，朱玉萍．公路隧道衬砌后空洞对结构安全的影响[J]．长安大学学报(自然科学版)，2010，(5)：63-68.
[8]王华牢，李宁，褚方平．公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性影响[J]．交通运输工程学报，2009，(2)：32-38.
[9]靳学峰，隧道衬砌拱顶、拱腰空洞对隧道稳定性影响规律研究[D]．重庆交通大学，2013.
[10]朱春生．公路隧道衬砌背后围岩缺陷对结构安全的影响及处治对策研究[D]．长安大学，2009.。