隧道施工因素对衬砌结构安全性影响评价研究

隧道施工因素对衬砌结构安全性影响评价研究

王 猛 孔德一

南轨道交通集团第一运营有限公司 山东 济南 250100

摘 要：随着我国经济的发展，地面空间有限，隧道和地下工程迅速发展。隧道结构设计大多有100年历史，这对隧道结构的承载能力和耐久性提出了更高的要求。然而，受地质条件、地下水腐蚀与钙化、气候条件、设计、施工、运行管理等因素的影响，隧道病害越来越多，有的隧道在施工过程中或运行数年后出现开裂、断块、变形、漏水和其他疾病。目前，国内隧道施工主要采用爆破方法，机械化程度不足，施工过程多种多样，存在许多潜在的危险源，在施工过程中，容易形成施工缺陷，造成隧道病害。这些病害影响了隧道作为快速、安全的交通通道的功能，且维护加固费用高，存在严重的安全风险。

关键词：隧道施工因素；衬砌结构；安全性；影响评价

一、衬砌背后空洞对结构安全性的影响

隧道衬砌后的接触状态可分为接触密度、接触松动和空腔三种情况。衬砌后面的松动接触和空腔通常会导致衬砌后面约束的减少或部分丧失。研究了衬砌后的空腔和接触问题。试验研究了具有不同位置空腔的隧道的破坏模式和破坏顺序。本文采用荷载结构法模拟衬砌后的空隙和接触松动。

1.背后空洞计算分析

通过对该隧道ⅴ级围岩支护结构的模拟计算可知，隧道拱顶和拱脚弯矩最大，结构安全系数最小。因此本文仅对隧道不利位置的拱顶孔和拱脚进行了模拟计算与分析。空腔计算模型如图1所示，计算结果如图2所示。

图1支护结构空洞计算模型

图2支护结构空洞安全系数

当二次衬砌厚度和配筋相同时，拱顶弯矩大，拱脚半径小，应力集中，弯矩大，安全系数最小。结构优化可以通过增加拱顶和拱脚的厚度或加强钢筋来进行，以防止拱和拱脚在长期地压下被拉开。

从图2可以看到,ⅴ级围岩的最小安全系数钢筋混凝土衬砌是4.60,4.21的时候有一个洞在拱顶和3.39有一个腔的拱脚,表明结构更安全时腔在拱脚。空腔影响下结构安全系数的顺序为:无缺陷>拱腰空腔>仰拱空腔>拱顶空腔>拱脚空腔。地质条件、空腔大小、地下应力分布和拱顶冲击荷载对空腔的安全性影响很大。经计算，拱顶处和拱脚处弯矩最大，安全系数最小，而背面空腔会导致弯矩增大，安全系数进一步降低。

2.背后接触松散计算分析

根据规范，V级围岩弹性抗力系数取100～200MPa/m，围岩级别越高，弹性抗力系数越小。衬砌背后接触松散可通过减小弹性抗力系数进行模拟，选取50～200MPa/m弹力抗性系数进行计算分析，结果如表1所示。

表1弹性抗力系数对结构安全性的影响

由表1可知，弹性阻力系数减小时，对结构轴力影响不大。然而，由于围岩对结构约束的削弱，结构弯矩增大，结构安全系数降低。当围岩弹性阻力系数从200MPa/m减小到50MPa/m时，拱脚安全系数从5.0减小到1.9，拱脚安全系数从5.3减小到2.5，均减小50% ~ 60%。表明衬砌后的松动接触对结构的安全性有很大的影响。围岩越差，越容易形成其背后的空隙或松散接触。对于其背后的喷射混凝土不密实而形成的地质极值或松散圈，需要进行注浆加固等处理，以确保结构和岩层密实。

二、衬砌厚度对结构安全性的影响

计算分析衬砌厚度对结构安全性的影响，结果如表2所示。由表2可知，钢筋混凝土衬砌结构厚度从0.45m降低至0.25m时，拱顶安全系数从4.6降低至4.0，降幅约13%，拱脚安全系数从5.1降低至2.8，降幅约45%，说明衬砌厚度对结构安全系数影响较大，且对拱脚处的影响更显著。素混凝土衬砌结构厚度从0.45m降低至0.25m，拱顶安全系数从1.4降低至1.1，降幅约21%；拱脚安全系数由1.4降低至0.8，降幅约43%，降低幅度与钢筋混凝土工况相当。钢筋对增强结构安全性作用明显，相同情况下，二次衬砌有配筋的安全系数约为没有配筋的3.5倍。

表2 Z5衬砌厚度对结构安全性的影响

三、衬砌混凝土强度对结构安全性的影响

计算分析了混凝土强度对结构安全的影响，结果如表3所示。从表5可以看出,钢筋混凝土的条件下,当从C40混凝土的强度水平减少C15,金库的安全系数从5.1降低到4.3,表明在这种情况下,金库的安全不影响混凝土的强度。拱脚安全系数由6.0降至3.5，下降42%，说明拱脚受混凝土强度的影响更为显著。素混凝土工况下，混凝土强度等级由C40降低至C15时，拱顶、拱脚处安全系数变化规律基本一致，均从1.7降低至1.1，降幅约35%。说明没有配筋时，拱顶部位安全性很大程度上靠提升混凝土强度来保证，也进一步说明配筋可有效保障结构安全。素混凝土结构中混凝土强度降低对结构安全影响更大。

表3Z5结构混凝土强度对结构安全性的影响

四、衬砌钢筋层间距对结构安全性的影响

在现场施工中，对加固层间距重视不够，保护层厚度不够，对结构的耐久性影响很大。如果保护层过厚，会增加结构的开裂能力，并直接导致加固层之间的距离减小，降低结构的安全性。计算分析保护层厚度对结构安全性的影响，结果如表4所示。

表4保护层厚度对结构安全性的影响

ⅴ级围岩结构二次衬砌厚度为45cm，保护层厚度为5cm，加固层间距约为35cm。在正常工作条件下，拱顶的安全系数为4.6。由表4可知，当保护层厚度逐渐增大到20cm，加固层间距减小到25cm时，拱顶的安全系数由4.6减小到3.4，减小约26%。足弓安全系数从5.1降至3.9，下降约24%。拱与拱脚安全系数的变化规律基本相同。衬砌加固的层间厚度对结构的安全性影响很大，层间间距是施工中难以控制、容易忽略的检查点。因此，应高度重视确保夹层间距满足设计要求。

结束语

1)一般来说，结构安全的影响是多种因素的叠加。通过计算背面接触松动和结构厚度的工况，各缺陷对结构影响的顺序为:背面接触松动>结构厚度>配筋层间距>结构强度>局部空腔间距>钢框架间距。

2)衬砌的空隙和背松对结构的安全性有很大的影响。尽量减少初始支护与围岩之间的空隙和空隙。施工后，对于围岩背后的空洞、背后非密实混凝土喷射混凝土形成的松散圈、地质极端等情况，需要进行空腔处理和注浆加固处理。

3)在隧道施工中，钢筋混凝土结构的配筋层间距和箍筋施工质量常常被忽视。计算表明，衬砌钢筋层间距对隧道结构安全系数影响较大，施工中应严格控制衬砌钢筋层间距和箍筋绑扎质量。

4)拱和拱脚弯矩大，安全系数最低，建议在设计和施工中加强拱和拱脚厚度、加固筋和拉锚杆布置，以优化结构。

本文主要对高速公路两车道V级围岩结构进行计算，但按标准进行常规计算，具有一定的片面性，在特殊的地质和地应力条件下应进行专门的研究分析。

参考文献

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