隧道襯砌與圍巖松散接觸對隧道結構安全的影響研究

龍騰 李清海

摘要：為探討襯砌后與圍巖松散接觸狀態對隧道安全性的影響，文章以巴平高速公路隧道為例進行了試驗研究，總結了松散接觸狀態對襯砌結構在不同密實度和不同松散接觸面積下力學性能的影響。結果表明：為了保持襯砌結構的穩定性，建議襯砌后回填灌漿的密實度應在80%以上，強度應達到圍巖強度的50%以上。

關鍵詞：隧道襯砌；圍巖松散；隧道結構；密實度

中圖分類號：U456.3+1 A 42 138 4

0 引言

公路隧道襯砌結構與圍巖之間的有效接觸在發揮結構承載力和確保隧道安全穩定運行方面起著重要作用［1］。目前，對隧道襯砌后空隙的研究較多。有研究認為彈塑性有限元分析可用于探索孔隙的不同尺寸、位置和深度對襯砌變形和應力重新分布的影響［2］；有學者對現有污水管或圓形隧道壁后的侵蝕空隙進行了三維（3-D）數值分析［3］；張治國等［4］進行了模型試驗，以評估局部接觸損失影響下襯砌結構和圍巖的力學行為；尹超等［5］還采用了各種無損檢測（NDT）方法來評估襯砌質量，同時對隧道施工的安全性進行了全面調查。

然而，這些研究大多局限于在研究襯砌后的空隙時，假定襯砌結構與圍巖不完全接觸。在實際工程中，襯砌結構與圍巖之間的接觸狀態是復雜的，并隨著時間的推移而變化。由于地下水的作用、開挖不當、襯砌后回填灌漿不足等原因［6］，在大多數情況下，襯砌后留下的小空隙使襯砌結構與圍巖松動部分接觸，且襯砌后回填灌漿區的密實度或強度不足是否對襯砌結構的安全產生影響，需進行深入研究。因此，本文主要研究隧道襯砌與圍巖之間的松散接觸對公路隧道安全的影響。

1 數值模擬

1.1 數值模型

使用Abaqus v6.14-1軟件（Dassault Systèmes，Providence，RI）用于數值分析襯砌后接觸狀態對襯砌結構安全性的影響。數值模擬中使用的隧道幾何結構如圖1所示。將襯砌結構背面的一部分設置為松散接觸區域，根據非完整的接觸條件，將其與巖體的非完整接觸狀態劃分成兩類：（1）松散區域內有許多小空隙；（2）松動區域內的巖石或灌漿材料強度不足［7］。

圖1所示為數值模擬模型。在本研究中，由于主要目的是分析襯砌與圍巖之間松散接觸的影響，襯砌被簡化為一個整體。根據工程設計資料，襯砌的厚度取0.65 m，隧道的深度為18.72 m。為使邊界影響最少，邊界與通道的間距應當是通道間距的21倍。在本研究中，設定模型長40 m、寬120 m、高48 m。在隧道中間到橫線的間距是5個洞長，而在通道的下面和下面的邊界處則是4個洞高。通過優化松散區及襯砌結構的網格，確保了數值模擬的精確度?？偣灿?0 344個網格，網格類型是線性六面體元素C3D8。

在襯砌與周邊巖體的交互界面中，采用面-面的接觸方式來研究接觸壓力的變化。用指數法定義的懲罰性接觸剛度被正常應用，庫侖摩擦（摩擦系數為0.8）被切向應用。根據Mohr-Coulomb屈服準則，周圍的巖石被認為是理想的彈塑性材料。此外，垂直邊界的水平位移被約束，而模型的底部在垂直方向被約束。根據隧道開挖的程序，選擇地質靜力程序來建立初始地質靜力場，開挖后襯砌和空隙同時被激活。

1.2 模型參數

本研究采用了7個不同的密實度（10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%）。對于松散區巖石的強度不足，通過逐步降低巖石強度參數來模擬。松散區域的巖石強度分別被削弱了30%、50%、70%和90%。具體參數如表1所示。

1.3 工程背景

以廣西巴平高速公路隧道為研究對象。該隧道的施工采用了傳統的鉆爆法。在鉆孔和爆破后，周圍巖石被復合襯砌所支撐。隧道一開始用近0.1 m厚的噴射混凝土支撐，然后用現澆鋼筋混凝土襯砌支撐隧道。由于襯砌結構表面出現了裂縫，為了維護隧道結構的安全，對襯砌結構進行了質量評估。然而，不僅在襯砌結構后面發現了空隙，還發現了襯砌結構和周圍巖石之間的松散接觸。襯砌結構和圍巖之間的不完全接觸狀態威脅著隧道的運行安全。因此，為了研究襯砌結構與圍巖之間的不完全接觸對襯砌結構安全的影響，選擇了隧道的DK553+418～DK553+434段作為研究對象。該試驗段圍巖為軟硬夾層，巖體比較完整；混凝土襯砌的抗壓強度為30 MPa；一級襯砌的厚度為0.15 m，二級襯砌的厚度為0.5 m。

2 隧道襯砌后密實度不足的影響

2.1 內力變化

為探討松散區密實度對襯砌結構安全的影響，采用數值模擬方案。襯砌結構內力的變化規律是隨著松散區的密實度從0增加到100%進行模擬的。當密實度為0時，襯砌結構不與巖體后部接觸；當密實度為100%時，襯砌結構與圍巖密集接觸。

如圖2所示為內力隨襯砌后松散區域的密實度而變化情況。為了突出變化趨勢，計算了密集接觸狀態的內力與內力之比。提取了襯砌結構的軸向力，如圖2（a）所示。在隧道拱頂處，襯砌結構的軸向力最大減少約60%。隨著松散區域密實度的增加，襯砌結構的軸向力趨向于襯砌后緊密接觸狀態的內力。當密實度＞70%時，內力最大值為2.5 kPa。同時，提取了襯砌結構的彎矩，如圖2（b）所示。隨著密實度的增加，拱頂和拱腰處襯砌結構的彎矩變化最明顯。隨著松散區域的密實度降低，松散區域內部空隙增加，襯砌結構與圍巖之間的接觸狀態逐漸接近非接觸狀態（V60D）。而且，在開挖后，由于隧道疏密程度的增大，拱頂的內襯結構會發生外彎，并且會逐步變薄，而隧道拱腋處襯砌結構向內彎曲并增加。當密實度＜70%后，襯砌結構拱頂處的彎矩相對于密集接觸狀態增加了約29倍，襯砌結構拱腰處的彎矩增加了約2倍。

如圖3所示為沿襯砌結構縱向平面的內力隨松散區域密實度的變化情況。軸向力的變化如下頁圖3（a）所示。松散區域的密實度越大，襯砌結構的內力變化越小。拱頂處的襯砌結構向內彎曲，而松散區域內的結構則隨著密實度的降低而上移到松散區域的內部。因此，在松散區域范圍內拱頂處襯砌結構的軸向力明顯下降。然而，松散區域外的襯砌結構沒有明顯變化，只有在距離松散區域邊緣約4 m處，襯砌結構的軸向力才略有增加。彎矩的變化如圖3（b）所示。與襯砌后面的密集接觸狀態相比，彎矩的方向沒有改變。由于襯砌結構向外彎曲而產生的負彎矩隨著松散區域內密實度的降低而增加，松散區域對彎矩變化的影響范圍約為3 m。

2.2 接觸壓力的變化

襯砌結構和周圍巖石之間的接觸壓力隨著襯砌后松散區域密實度的變化而變化，如圖4所示。如圖4（a）所示為沿隧道軸線的接觸壓力的分布。當襯砌后松散區域的密實度在80%～90%時，由于存在小的空隙，接觸壓力分布不均勻。當密實度逐漸降低時，松散區域內的空隙逐漸相互連接，最后形成一個空洞，這使襯砌結構與周圍巖石不接觸，且進一步導致襯砌結構后面的松散區域周圍的接觸壓力非線性增加，最大增幅為26%；當襯砌結構與巖石非線性接觸后，接觸壓力達到最大。圖4（b）所示為最大接觸壓力與密實度之間的關系。在松散區周圍3 m范圍內，襯砌結構的接觸壓力與密實接觸狀態相比增加了近50%，而在松散區內部，隨著密實度的降低，接觸壓力趨向于0。同樣，當密實度＜70%時，與密實度＞70%相比，接觸壓力增加了近30%。

3 松動接觸面積的影響

3.1 內力變化

為了探討松散接觸面積變化對襯砌結構安全性的影響，在隧道拱頂后面設置了一個密實度為50%的松散區域，分別為V15D、V30D、V45D、V60D和V80D。襯砌結構后面松散接觸區域的長度和寬度成比例增加，襯砌結構的內力變化如圖5所示。其中，襯砌結構軸向力的變化如圖5（a）所示，隨著松散接觸面積的增加，拱頂處襯砌結構的軸向力受到拉伸并逐漸減小，比密集接觸狀態小約80%。襯砌結構彎矩的變化如圖5（b）所示，與密集接觸狀態相比，隨著松散接觸區域的增加，松散接觸區域內襯砌結構彎矩的最大變化是在拱頂和隧道拱腰處，其他位置的變化較小。與襯砌后方空隙的情況類似，拱頂處襯砌結構的彎矩向外彎曲，并隨著松散接觸面積的增加而顯著增加。當隧道拱腋處襯砌結構后面的松散接觸面積＞25 m2時，襯砌結構的彎矩方向發生變化，襯砌結構從向外彎曲變為向內彎曲。

3.2 變形

圖6（a）所示為荷載（100 kPa）下隧道拱頂沿線襯砌結構的變形示意圖。松散區兩側襯砌結構的變形隨強度的增加而增加；在松軟地區，因其巖體的受力不如兩邊的巖體，故松散部位的位移較少。AP90條件下，巖體的強度明顯下降，而疏松部位則趨于無接觸。在松動區的兩端，由于受力的影響，其變形幅度增大。從圖6（b）中可以看出，在混凝土拱橋的受力不足比＞50%時，拱頂豎直變形坡度增大，對應的位移量增大，最大變形量達到1 255 mm。

4 結語

襯砌后松散接觸區強度不足對襯砌結構安全的影響主要集中在結構的松散接觸區域內。襯砌后的回填灌漿強度應在圍巖強度的50%以上，否則將對襯砌結構的安全造成極大的危害，特別是當松動區范圍增大，隧道襯砌逐漸被包圍時。因此，應保證襯砌后面回填灌漿的強度，避免松散的接觸區被開發出來并相互連接。

參考文獻

［1］康 凱，王正中，董 鵬，等.高地下水復雜地層盾構隧洞圍巖滲透系數及外水荷載的反演分析［J］.水利與建筑工程學報，2022，20（5）：35-41.

［2］戴曉威，吉小明，高 鵬.臨海隧道復合襯砌結構解凍前后荷載分擔比研究［J］.廣東建材，2020，36（10）：53-58.

［3］張頂立，張素磊，房 倩，等.鐵路運營隧道襯砌背后接觸狀態及其分析［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（2）：217-224.

［4］張治國，張孟喜，馮 駒，等.列車荷載作用下纖維混凝土材料隧道襯砌受不同裂縫特征影響的結構穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2022，41（S1）：2 927-2 943.

［5］尹 超，朱星宇，張志強.近斷層地震下城市隧道動力響應與襯砌選型［J］.科學技術與工程，2021，21（35）：15 209-15 214.

［6］黃文華，張 云.基于漿液擴散的軟弱圍巖隧道注漿加固效果研究［J］.公路，2021，66（8）：355-359.

［7］宋戰平，劉彥龍，張玉偉.黃土隧道深淺埋界限劃分研究現狀及展望［J］.隧道與地下工程災害防治，2021，3（2）：1-15.

收稿日期：2023-07-20