基于数值分析的隧道衬砌病害检测技术研究

覃成科

摘要：在高速公路隧道质量控制中，隧道衬砌质量常常因其隐蔽性，而难以做到直观有效的检测。现阶段，关于隧道衬砌质量检测技术的研究主要集中在地质雷达探测、声波探测、回弹检测等无损检测方法的应用方面，而关于检测中发现的衬砌质量缺陷对结构稳定性影响方面的研究较少。文章依托工程实践，通过地质雷达探测的病害分布信息，采用MIDASGTSNX有限元数值模拟手段，建立荷载-结构法的二维平面模型，研究不同脱空位置对衬砌结构受力的影响，发现隧道衬砌结构受力对拱腰部位的衬砌脱空最敏感，当脱空尺寸达0.2m（高）×1m（长）时，衬砌结构最大vonMises应力位置发生变化，应力增幅达58%，从而为有效指导工程实践提供了数据支撑。通过探索雷达检测与数值分析相结合的手段在公路隧道衬砌质量检测中的应用，可为类似检测工程提供参考借鉴。

关键词：地质雷达;MIDASGTSNX;有限元数值分析;衬砌脱空;公路隧道

0 引言

随着我国公路隧道建设的迅猛发展，隧道衬砌质量的控制面临巨大挑战。由于隧道衬砌施工具有隐蔽性，导致其对检测手段的要求越来越高。当前对隧道衬砌质量进行检测的方法主要是无损检测方法，包括地质雷达法、声波探测法、回弹检测法等。其中，地质雷达法作为隧道衬砌质量检测的主要无损检测手段，国内外学者对其进行了大量研究，且取得了显著效果[1-4]，而关于隧道衬砌质量缺陷对隧道结构稳定性影响方面的研究相对较少[5-7]，将地质雷达与数值分析相结合的手段应用至工程检测中的研究则更少。

本文依托板可隧道衬砌质量检测项目，通过地质雷达检测隧道衬砌质量，并借助MIDASGTSNX有限元分析软件，采用荷载-结构法，建立隧道典型病害断面的二维有限元模型，研究了隧道衬砌不同脱空位置及其组合对衬砌结构稳定性的影响，从而有效指导工程实践。本工程采用的地质雷达探测与数值分析相结合的手段，可为类似检测项目提供参考。

1 工程概况

板可隧道为上下分离式四车道高速公路长隧道，位于广西壮族自治区百色市平果县境内。隧道上行线长2175m，施工桩号为YK427+407～YK429+582;下行线长2180m，施工桩号为KZ428+930～KZ429+590。养护人员进行日常巡检时发现，在隧道上行线YK429+050～YK429+095区段，发生较严重的衬砌渗漏水病害。该区段隧道主要穿越中风化灰岩地带，该地带岩石坚硬，受断层的影响，局部裂隙可能存在大断层。该区段设计为Ⅳ级围岩，衬砌设计断面为S4-B，如图1所示。

2 地质雷达检测

2.1 测线布置

本次检测采用瑞典MALACUII型地质雷达，配500M天线，分别在左边墙、左拱腰、拱顶、右边墙、右拱腰布置5条测线，测线布置如图2所示。其中左、右边墙离地面高约2.0m，左、右拱腰离地面高约5.0m，拱顶测线离地面高约7.0m。

2.2 检测结果

板可隧道地质雷达探测剖面如图3所示。由雷达检测结果可知，板可隧道上行线YK429+040～YK429+095区段衬砌整体状况较好，支护（衬砌）背后主要缺陷是局部二衬脱空或胶结不密实，具体缺陷情况如下页表1所示。

3 数值分析

3.1 数值模型建立

根据雷达检测结果可知，板可隧道衬砌主要病害是脱空或胶结不密实，且主要发生在拱顶和拱腰位置，脱空部位衬砌厚度约0.2m。为分析衬砌局部脱空对衬砌结构的稳定性影响，本文采用MIDASGTSNX有限元分析软件对隧道衬砌受力情况进行分析。

隧道衬砌受力数值模型如图4所示，局部脱空模拟如图5所示。采用荷载-结构法建立模型，其中隧道初期支护和二次衬砌均采用平面应力单元模拟，二者之间的接触采用节点耦合进行模拟，初期支护与围岩之间的作用力采用曲面弹簧模拟。模型参数取值如表2所示。

根据《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG3370.1-2018），深埋隧道四级围压的垂直均布压力和水平均布压力分别以式（1）、式（2）进行计算。具体计算结果如表3所示。

3.2 分析工况

本次分析共设置五种工况，其中局部脱空尺寸统一设置为0.2m（高）×2m（长），具体工况如下：

工况一：无脱空;

工况二：拱顶脱空;

工况三：右拱腰脱空;

工况四：拱顶+右拱腰脱空;

工况五：拱顶+左拱腰+右拱腰脱空。

3.3 数值模拟结果

通过进行有限元数值分析，对应各分析工况的二次衬砌结构vonmises应力如图6～10所示。其中，图6为无脱空工况，图7为拱顶脱空工况，图8为右拱腰脱空工况，图9为拱顶+右拱腰脱空工况，图10为拱顶+左拱腰+右拱腰脱空工况。

（1）由图6可知，当衬砌无脱空时，二次衬砌的最大vonmises应力位于两侧边墙位置，大小为12.43MPa。

（2）由图7可知，当拱顶存在脱空时，二次衬砌的最大vonmises应力仍然位于两侧边墙位置，大小为12.40MPa，可见拱顶脱空对衬砌结构受力影响范围较小。

（3）由图8可知，当右拱腰存在脱空时，二次衬砌的最大vonmises應力位于右拱腰脱空位置，大小为19.74MPa，相比无脱空工况，增大了约58.8%。

（4）由图9可知，当拱顶和右拱腰同时存在脱空时，二次衬砌的最大vonmises应力位于右拱腰脱空位置，大小为19.62MPa，相比无脱空工况，增大了约57.8%。

（5）由图10可知，当拱顶、左拱腰、右拱腰同时存在脱空时，二次衬砌的最大vonmises应力位于左、右拱腰脱空位置，大小为19.60MPa，相比无脱空工况，增大了约57.7%。

4 结语

通过对板可隧道衬砌质量进行雷达检测，并结合数值分析结果，得到如下结论：

（1）拱顶位置脱空对结构的整体受力影响较小，主要影响脱空部位的衬砌混凝土受力。

（2）拱腰位置脱空将显著影响衬砌结构整体受力，衬砌最大vonmises应力由边墙位置转移至拱腰脱空位置，且当脱空尺寸达0.2m（高）×2m（长）时，最大vonmises应力增加约58.8%。

（3）隧道衬砌结构对拱腰部位的脱空最敏感，在隧道日常养护中，应加强对拱腰部位病害的检查，发现衬砌产生结构性裂缝时，要及时进行相关检测工作。

在对板可隧道进行检测的项目中，结合地质雷达探测和数值分析的手段，为病害的影响程度及后期处治方案设计提供了直观的数据支撑，可为类似工程提供参考。

参考文献：

[1]柴太林，肖启航，程筑江.地质雷达在隧道工程质量检测中的应用[J].现代隧道技术，2008（S1）：485-488.

[2]华开成，张显达，王丰仓.隧道工程初期支护质量检测与处理措施[J].路基工程，2013（4）：189-193.

[3]喻 军，刘松玉，童立元.地质雷达在隧道初衬质量检测中的应用研究[J].岩土力学，2008（S1）：303-306.

[4]代绍海，金理强，张新尚，等.地质雷达在隧道衬砌质量检测应用中的影响因素及优化措施研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019（10）：243-246.

[5]贺志勇，钟宏武，陈振华.带裂缝隧道衬砌的安全评价及有限元分析[J].隧道建设（中英文），2019（S2）：69-77.

[6]刘新根，刘学增，齐 磊，等.公路隧道衬砌病害力学模拟研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2015，34（3）：26.

[7]王知远.南阳山隧道围岩-结构的力学性态及安全性研究[D].重庆：重庆交通大学，2016.