衬砌背后局部空洞对隧道安全性影响分析

王海蛟 王记平 王凯

（中建路桥集团有限公司1) 河北石家庄050001 河北交通职业技术学院2) 河北石家庄 050091）

1 引言

目前国内公路隧道的支护手段主要采用锚杆和喷射混凝土组合方式，在施工过程中由于衬砌背后回填不够密实，或者在后期营运过程中，由于地下水的冲刷、腐蚀作用，有可能在衬砌背后产生空洞。衬砌背后空洞具有形态特征复杂、难以发现、不易根治等问题；同时，空洞也是其它病害的重要诱因。衬砌背后局部空洞的存在会降低衬砌的承载力，影响围岩的整体稳定性。空洞往往会引起渗漏水等病害发生，若处治不及时可能会造成衬砌的大范围垮塌，威胁着隧道运营过程中的安全。因此，开展衬砌背后空洞对衬砌结构安全性影响规律，准确评估隧道的健康状态，并提出相应的治理措施，对预防隧道空洞本身及其所引起其它病害的安全问题，保证隧道的安全运营、延长了使用寿命等具有重要的社会和经济意义。

近年来，国内外学者基于弹塑性理论和数值模拟方法对衬砌背后空洞现象展开了广泛研究。对不同位置、不同大小的空洞进行了平面弹塑性力学计算仿真，获得了空洞特征对围岩结构安全系数的影响规律，分析了造成围岩松动、衬砌裂损的关键因素和临界条件。结合国外内工程实例，研究者根据具体的空洞病害成因，提出了补强、内衬和注浆等多种治理措施及相应的应用原则和方法。本文结合某隧道工程实例，利用有限元软件建立隧道平面弹塑性模型，计算了不同埋深下拱脚空洞存在时围岩的位移及压力、围岩塑性区分布以及衬砌结构安全性系数，分析了拱脚空洞对衬砌整体结构稳定性的影响，为预测衬砌背后局部空洞引起的岩体结构变化、提高结构稳定性提供参考。

2 工程概况

依托隧道所在地隶属保定阜平县，为上、下行独立双洞四车道分离式隧道，全幅隧道范围右线-K0+493.612～K0+494，长度987.612m，其中保定段长354m，左线-ZK0+501.822～ZK0+492，长度993.822m，其中保定段长352m。全长990.717m，属中隧道。

隧址属构造剥蚀低山区峰丛山地地貌，区内最大标高713.66m，最低标高583.16m，相对高差130.5m。隧道通过山体的自然坡度变化较大，地表剥蚀现象较为强烈。隧址区地层简单，地质构造主要为新华夏系太行山隆起区，出露地层主要为第四系残坡积（Qel+dl）的碎石土及燕山早期（r52）花岗岩，局部为燕山晚期（δ52）闪长岩。隧道围岩级别综合评价为Ⅱ～Ⅴ级，围岩以花岗岩为主，并有闪长岩侵入体，由于基底岩石为片麻岩，花岗岩或闪长岩为后期侵入体。

对该隧道进行检测发现衬砌与围岩之间存在多处回填不密实的情况，局部空洞主要集中在拱脚及边墙处。本文主要对不同埋深下拱脚左侧空洞进行仿真分析。

3 衬砌背后局部空洞模型的建立

选定依托工程典型断面尺寸如图1（a）所示，基于弹塑性理论，利用abaqus 数值计算软件，建立计算模型如图1（b）所示。初支与二衬视为整体，围岩、初支与二次衬砌材料的力学参数列于表1 中。采用应用较为广泛的二维地层-结构法进行受力计算，空洞形状设为环形，选取典型尺寸为环向宽度2.0 m，深度0.5 m，根据空洞的实际受力情况，计算过程中忽略空洞位置单元。

表1 围岩和衬砌材料的力学参数

图1 隧道计算模型

4 安全性分析

4.1 不同埋深下空洞对围岩变形的影响

以10 m 和200 m 作为典型浅埋段和深埋段埋深，计算两种条件下围岩在水平（X）和竖直（Y）方向的变形位移，结果如图2 所示；不同围岩变形隧深度变化如图3 所示。

图2 围岩变形分布

从图2 可以看出：拱脚处存在空洞时，浅埋段隧道围岩体的水平位移和竖直位移大致以隧道中心线呈现对称分布，其最大水平位移出现在拱腰处，最大竖向位移出现在左右拱腰上部以及拱顶位置；而深埋段围岩体的最大水平位移和最大竖向位移则在空洞部位。计算不同埋深下围岩在水平（X）和竖直（Y）方向的变形位移，其位移变化情况如图3 所示。

图3 不同埋深下围岩位移的变化

从图3 可以看出：拱脚位置出现空洞时，围岩水平和竖直方向的变形位移随着埋深的增加先增大后减小，最大位移出现在浅埋段，当埋深超过300 m 后位移变化趋于稳定。

4.2 不同埋深下空洞对围岩压力的影响

图4 为拱脚空洞存在时围岩典型压力分布，以及不同埋深下空洞、拱顶、左右拱腰、拱脚、仰拱处围岩压力的变化趋势。

图4 不同埋深下关键部位的压力变化

图4 表明：最大压力变化出现在空洞处，随着埋深的增加，空洞部位围岩压力呈现波动变化，增长百分比逐渐下降，埋深300m 之后稳定在12%左右。相比而言其它部位围岩压力的增长较小，随埋深的加深压力变化趋于稳定。

4.3 不同埋深下空洞对围岩塑性区的影响

隧道开挖过程中，不可避免会造成围岩扰动，扰动程度的大小可用围岩塑性区分布来衡量。一般而言，若隧道开挖过程中围岩所受压力小于岩体自身强度，则处于弹性状态；若隧道开挖过程中围岩所受压力大于岩体自身强度，则处于塑性状态，围岩将产生较大塑性变形。

在拱脚处有空洞的情况下，浅埋段（埋深小于40 m）围岩应力集中主要在边墙和拱脚处，而深埋段应力集中区域从拱腰、拱脚转移到空洞区域，空洞部位为围岩的薄弱环节。通过以上分析可知，对于埋深小于40 m 的浅埋段，在施工过程中重点监测和加固拱脚和拱腰等区域，而埋深大于40 m 的深埋段，拱脚处的空洞区域为围岩的薄弱区域，施工过程应采取打设锚杆、注浆加固等手段予以补强。

4.4 隧道结构安全度

拱脚局部空洞时不同埋深条件下隧道衬砌结构安全系数随隧道埋深变化情况如图5 所示。

从图5 可以看出：当埋深小于100 m 时各处的安全系数出现较明显的上下波动，埋深超过300 m 后，安全系数趋于稳定。随着埋深的增加，仰拱、左拱腰与拱顶位置的安全系数呈现下降趋势，其仰拱和左拱腰位置安全系数降幅最大；右拱脚和右拱腰区域安全系数略有增加。隧道结构安全系数计算同样表明：衬砌背后拱脚位置存在局部空洞对拱脚及拱腰位置衬砌结构影响最大，并且随着隧道埋深的增加其对应位置安全系数逐步减小，最终趋于稳定，这一结果与前述位移和围岩压力的分析一致。

图5 不同埋深下衬砌结构的安全系数

5 结论

基于二维地层-结构法，采用abaqus 计算软件分析了衬砌背后拱脚部位存在空洞的情况下，不同埋深处围岩的位移、压力、塑性区以及衬砌结构安全系数的变化情况，获得如下结论：

（1）浅埋段隧道围岩体的最大水平位移出现在拱腰处，最大竖向位移位于左右拱腰及拱顶处；深埋段围岩体的最大水平位移和竖向位移均位于空洞位置。

（2）最大压力变化出现在空洞处，空洞部位围岩压力呈现波动变化，浅埋段增长迅速。随着埋深的增加，增长百分比逐渐下降，埋深300 m 之后稳定在12%左右。

（3）浅埋段围岩应力集中主要出现在边墙和拱脚处，而在深埋大于40 m 后应力集中在空洞区域，此时空洞部位为围岩的薄弱环节。

（4）随着埋深的增加，仰拱、拱腰与拱顶结构的安全系数下降，拱腰和空洞部位降低幅度最大；拱脚空洞对围岩拱脚与拱腰的危害最大，随埋深增加这些部位的安全系数减小，最终趋于稳定。