淺埋偏壓隧道襯砌背后空洞對結構安全性影響

張子韻， 李 思， 盧 鋒， 史鍇然

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室土木工程學院， 四川成都 610031)

由于施工不當、地質條件不良等因素，隧道襯砌背后容易出現空洞，從而引起隧道襯砌結構發生一定程度的病害。對于隧道襯砌背后存在空洞情況，國內外學者進行了大量地研究：佘健等采用大比例室內模型試驗，研究了隧道結構在不同圍巖條件下、不同空洞位置、不同地應力場作用下襯砌結構受力破壞特征[1]；賴金星等依托數值計算分析了盾構隧道襯砌背后空洞位置和大小對結構的影響規律[2]；方勇等結合隧道-地層復合模擬試驗系統研究了不同位置空洞與不同外水壓荷載共同作用下二次襯砌的受力分布規律及開裂特征[3]；彭躍等依托有限元計算研究了雙洞隧道情況下襯砌背后空洞對隧道結構安全性的影響[4]；張旭等通過模型試驗，系統研究了拱頂與拱肩背后存在雙空洞條件下隧道結構裂損演化過程及襯砌內力的變化規律[5]；GAO Y等基于微震法和數值模擬分析了空洞對于山嶺隧道動力響應地影響[6]。

在實際工程條件下，尤其是隧道臨近洞口段，淺埋偏壓情況大量存在。對于淺埋隧道，一般隧道周圍土體風化程度較重，且受到降水等因素影響，容易造成隧道襯砌背后出現空洞。因此，研究淺埋偏壓情況下隧道襯砌背后空洞對結構安全性的影響對于隧道維修與養護具有重要意義。本文基于Flac 3d有限差分軟件，研究了淺埋偏壓情況下空洞尺寸及位置對結構安全性的影響，以此為淺埋偏壓隧道空洞病害處置提供理論依據。

1 計算模型

1.1 模型建立

以JTG D70-2004《公路隧道設計規范》中v=100km/h情況的標準斷面作為隧道凈空，隧道襯砌取為厚度是50 cm的單層混凝土襯砌，隧道偏壓角度取為30°，地層采用實體單元進行模擬，襯砌采用殼單元進行模擬，由此建立平面應變的地層結構模型(圖1)。

圖1 數值模型(單位：m)

地層參數取為Ⅳ級圍巖，為摩爾-庫倫材料，隧道襯砌結構參數取為C35素混凝土，為彈性材料，具體材料參數如表1所示。

1.2 工況設計

為研究淺埋偏壓情況下襯砌背后空洞對結構安全性的影響，參考前人研究成果，本文將空洞取為條形形狀進行研究，并設置了拱頂、左右拱腰、左右拱腳和左右墻腳各位置處的不同空洞尺寸(深度和寬度)的計算工況(表2)。各位置處空洞如圖2所示。

表1 材料參數

表2 工況設置

圖2 空洞位置

2 空洞對結構安全性影響

提取各工況下襯砌結構的軸力和彎矩值，根據JTG D70-2004《公路隧道設計規范》對襯砌結構進行安全檢算，獲得襯砌結構的安全系數值。根據安全系數值的分布情況，分析襯砌背后空洞位置及尺寸對結構安全性的影響。

2.1 各位置處空洞深度對結構安全性影響

由工況0和工況1～工況7獲得各位置處不同空洞深度下襯砌結構安全系數分布情況(圖3)。

從圖3可以看出，在無空洞情況下，結構最小安全系數位置點位于右拱腳處，數值為5.51。相比于無空洞情況，襯砌背后空洞明顯改變了空洞附近局部范圍內結構安全系數的分布規律，但對距離空洞較遠處的結構安全系數影響不大，其中拱腳處空洞對結構安全系數分布的影響范圍要明顯大于其他位置處的影響范圍。偏壓作用下隧道襯砌結構安全系數分布不再與隧道中線對稱；空洞對結構安全系數的影響效果也不再對稱：拱頂空洞對隧道中線兩側對稱位置處結構安全系數的影響效果存在差異；左側空洞引起結構安全系數突變點B、D或F的位置分別高于對應右側空洞引起結構安全系數突變點C、E或G的位置。同時，隨著空洞深度的增大，空洞對結構安全系數分布的影響范圍逐漸增大；但在空洞深度從40 cm增大到120 cm的過程中，影響范圍增大程度不大，且結構安全系數分布規律大致相同，只是在數值上存在一定差異。

為進一步分析影響效果，對不同工況下典型位置(即空洞引起結構安全系數突變點位置)的安全系數值進行分析，典型位置見圖3中的點A(含A1、A2)～G，得到典型位置處結構安全系數隨空洞深度變化情況，如圖4所示。由圖4(a)可見，空洞出現在拱頂背后時，正拱頂A和深埋側A2處的結構安全系數隨空洞深度的增大而逐漸降低；淺埋側A1位置結構安全系數隨空洞深度的增大而逐漸升高。由圖4(b)可見，各位置處空洞引起的結構安全系數突變點的安全系數值均隨空洞深度的增大而降低，但降低幅度存在差異：左拱腰空洞時，點B的安全系數降低幅度小于右拱腰空洞時點C的安全系數降低幅度，而左拱腳空洞時，點D、左墻腳空洞時點F的安全系數降低幅度分別大于右拱腳空洞時點E、右墻腳空洞時，點G的安全系數降低幅度。整體來看，圖4中所有典型位置處安全系數升高或降低速率均隨空洞深度的增大而逐漸趨于緩和；空洞深度從0～40 cm過程中典型位置處安全系數變化明顯，但從40 cm～120 cm過程中典型位置處安全系數變化較小。

(a) 拱頂空洞

(d) 左拱腳空洞

(e) 右拱腳空洞

(f)左墻腳空洞

(g) 右墻腳空洞圖3 各位置處不同空洞深度下的襯砌結構安全系數分布

(a) 拱頂空洞

(b) 其余位置空洞

2.2 各位置處空洞寬度對結構安全性影響

由工況0和工況8～工況14獲得各位置處不同空洞寬度下襯砌結構安全系數分布情況(圖5)。

從圖5可以看出，隨著空洞寬度的增大，空洞對結構安全系數分布的影響范圍逐漸增大；且空洞寬度范圍越大，空洞附近結構安全系數分布波動越明顯。同時，由于偏壓作用，拱頂空洞隨寬度增加對隧道中線兩側襯砌結構安全性的影響效果存在差異，左側空洞隨寬度增加對結構安全性的影響效果與右側空洞產生的影響也存在差異。

(a) 拱頂空洞

(b) 左拱腰空洞

(c) 右拱腰空洞

(d) 左拱腳空洞

(e) 右拱腳空洞

(f)左墻腳空洞

(g) 右墻腳空洞圖5 各位置處不同空洞寬度下的襯砌結構安全系數分布

為進一步分析影響效果，仍以圖3中的典型位置A(含A1、A2)～G進行研究分析，得到典型位置處結構安全系數隨空洞寬度變化情況，如圖6所示。由圖6(a)可見，空洞出現在拱頂背后時，正拱頂A和深埋側A2處的結構安全系數隨空洞寬度的增大而逐漸降低；淺埋側A1位置結構安全系數隨空洞深度的增大而逐漸升高。由圖6(b)可見，拱腰和拱腳空洞引起的結構安全系數突變點的安全系數值均隨空洞寬度的增大而降低，但降低幅度存在差異：左拱腰空洞時點B的安全系數降低幅度小于右拱腰空洞時點C的安全系數降低幅度，而左拱腳空洞時點D的安全系數降低幅度大于右拱腳空洞時點E的安全系數降低幅度。墻腳空洞引起的結構安全系數突變點的安全系數值隨空洞寬度的增大先降低而后有較小回升，但左墻腳空洞時點F的安全系數變化幅度小于右墻腳空洞時點G的安全系數變化幅度。

(a) 拱頂空洞

(b) 其余位置空洞

3 結論

本文通過數值分析的方法，對淺埋偏壓隧道襯砌背后空洞位置及尺寸對結構安全性地影響進行了系統研究，得到以下結論：

(1)襯砌背后空洞明顯改變了空洞附近局部范圍內結構安全系數的分布規律，但對距離空洞較遠處的結構安全系數影響不大，其中拱腳處空洞對結構安全系數分布的影響范圍要明顯大于其他位置處的影響范圍。

(2)偏壓作用下隧道襯砌結構安全系數分布不再關于隧道中線對稱，空洞對結構安全系數的影響效果也不再對稱：拱頂空洞對隧道中線兩側對稱位置處結構安全系數的影響效果存在差異；隧道中線兩側對稱位置處襯砌背后空洞深度和寬度變化對結構安全系數的影響程度在深埋側與淺埋側是不同的。

(3)空洞深度越大，空洞對結構安全系數分布的影響范圍越大；但空洞出現后，空洞深度的增加對結構安全系數分布規律的影響不大。

(4)空洞寬度越大，空洞對結構安全系數分布的影響范圍越大，空洞附近結構安全系數分布波動越明顯。