崔策 任庆东 张波
由于隧道多处在山区,加之在设计和施工中的局限性,隧道结构往往都存在不同程度的病害,因此隧道的安全健康问题日益突出,仅对隧道的病害进行检测还不足以解决根本问题,只有把握各种病害的成因机理及其相互关联性,才能更好地提出相关的治理措施,保证隧道正常运营[1-3]。笔者以北京某隧道病害为例,阐述病害的无损检测方法、研究各种病害分布及相互关联性、分析病害产生的机理,为类似工程提供借鉴。
1 工程概况
1.1 隧道技术标准
北京某道路工程,全长23.906km,公路等级为三级,设计速度为30km/h。所要检测的隧道全长713m。隧道建筑限界:净宽9.0m(0.75m+0.25m+2×3.50m+0.25 m+0.75m),限高5.0m。场地地形起伏比较大,周围无明显河流、无地下水,检测前已完成上台阶开挖支护至K 6+800(累计 160m);完成下台阶仰拱累计142m。由于北京奥运的要求,工程从 2008年 7月开始停工,2008年 10月重新开工。
1.2 隧道工程地质条件情况
隧道围岩分级中,Ⅳ级围岩总长498 m,占隧道总长的69.8%;Ⅴ级围岩总长 215m,占隧道总长的 30.2%。
隧道进口段(K 6+640～K6+705)与地形近于直交,无偏压荷载,围岩级别为Ⅴ级,洞身及洞身以上 2倍洞径范围内的岩性主要为可塑～硬塑亚粘土、强风化灰岩和中等风化灰岩,岩体风化破碎,裂隙发育,开挖后易坍塌,稳定性差。隧道洞身(K 6+705～K 7+203)围岩级别为Ⅳ级,洞身及洞身以上 2倍洞径范围内的岩性主要为微风化灰岩,节理裂隙发育,开挖后支护不当易坍塌、冒顶,稳定性较差。隧道出口段(K7+203～K 7+353)与地形近于直交,无偏压荷载,围岩级别为Ⅴ级,洞身及洞身以上 2倍洞径范围内的岩性主要为可塑～硬塑亚粘土、强风化灰岩或砂岩、强风化页岩。岩体风化破碎,裂隙发育,开挖后易坍塌,稳定性差。
2 隧道现场检测分析
2.1 检测项目和方法
1)衬砌缺陷和渗漏水检查。检查采用步行方式,配备必要的检查工具或设备,进行目测或量测检查。主要采用目测配合钢卷尺、皮尺和宽度观测仪等量测设备,对洞口、衬砌等进行外观检查,包含衬砌裂缝形态和分布、混凝土外观缺陷、渗漏水分布及程度等。2)隧道断面内轮廓检查。使用瑞士徕卡 TPS1200隧道断面仪,断面检测根据现场的实际情况,每 20m测量一个断面,对于病害严重部位酌情加密。3)衬砌厚度、空洞及不密实带检查。采用瑞典 MALA公司生产的RAMAC型地质雷达,根据场地的具体情况以及隧道各部分在结构受力方面的重要性,原则上每个隧道应分别在拱顶及左右拱腰各布置一条测线,但由于检测施工条件的限制,在隧道桩号 K6+790～K 6+798布置了拱顶及左右拱腰测线,并在已建成部分全长范围左右边墙布置长测线。同时在测线上选取典型位置钻孔取样,并对钻孔取芯衬砌厚度与设计衬砌厚度以及用雷达分析的厚度进行对比,分析实际衬砌厚度是否满足设计要求,同时检测初衬壁后空洞与密实状态。
2.2 检测结果及分析
1)衬砌外观检查结果及分析。通过检查,在已做好的初期支护中,存在 2处渗水,分别位于K6+640整个拱圈内和K6+658左拱腰至左墙脚范围内,且渗水面积均大 5m2,并且整个洞身存在喷浆不均匀现象。由于隧道开挖中产生松弛地压,围岩不能承受自重,而作为荷载作用在衬砌上,当承载力不足时在局部有张开性开裂趋势,并且由于施工的不合理超挖,衬砌背后产生空洞,空洞不仅使围岩松弛程度和地压增加,也阻碍了被动土压力的产生,由此导致了局部漏水现象。由于本隧道的排水系统还不完整,地下水位会上升产生水压使围岩和衬砌劣化。2)断面内轮廓检查结果分析。根据本次检测的断面情况,发现隧道断面拱顶部位普遍超挖,其中最小为 44.9cm,最大可达 68.2cm。判断为施工安装钢拱架的需要及喷浆不足所致。边墙断面基本上没有较大的侵陷和变形,其他各点基本都能与设计断面吻合。3)衬砌背后检测结果分析。经过对雷达数据进行处理和分析,隧道的检测结果如下:初衬厚度相对比较均匀,厚度一般在 22cm～23cm之间,且右测线的初衬厚度比左测线的厚度大,左腰线上K 6+778～撑子面,初衬厚度相对较小,一般在 19cm～21cm之间。在桩号K6+795～K 6+798范围,拱顶深度范围0.7m～1.0m内出现30cm宽的松动带。结果显示,衬砌背后松动带与漏水处位置基本吻合,松动或空洞上部的岩体可能与围岩分离而掉落,因此会对衬砌产生冲击,在衬砌强度不足时,尤其是在二衬尚未施作时,会导致开裂甚至突然崩塌。
3 隧道受力变形数值模拟分析
本文计算采用FLAC2D软件对已建成隧道部分进行模拟,然后根据《公路隧道设计规范》对结构承载能力进行复核。在不同围岩条件和支护结构条件下,分别对隧道结构未完全建成时进行位移分析和稳定性评价[4,5]。
3.1 模型建立
模型的上方取至山顶,左右方各取 38m,下方 12m,模型尺寸为宽×高=76m×70m。模型边界采用齐次边界条件,上部边界取为自由面,下部边界取为固定边界,左右边界岩体沿着 X方向的位移被约束。岩体和钢支架下方的混凝土基础墩采用实体单元,工型钢支架采用梁单元模拟,混凝土喷层采用 Liner单元模拟,岩体参数取值见表1。
表1 岩体参数取值
3.2 计算结果分析
在围岩应力分析中采用全断面一次性开挖,通过对已支护结构和围岩的相互作用分析,从围岩应力云图可以看出,在隧道目前施工完成的结构中,两腰应力集中,最大为 3.0e6 Pa;从位移云图中看出,顶板为 7.5mm,底板为 7.5mm。底板位移之所以比顶板大是因为本隧道支护为钢架全封闭支护,上部应力通过钢架传到底部,大部分由钢架底部承担,如不加以控制很容易造成底板低鼓,这恰与设计中底板填 145mm混凝土控制底板变形片石相符。顶板没有出现塑性区,两腰处塑性区为 8.00m,底板不存在塑性区。
由工型钢支架和混凝土喷层弯矩和轴力云图看出,最大值出现在曲墙墙脚处,分别为 34.83kN◦m和 1004kN,得出安全系数分别为 1.4和 1.7。
综上所述:隧道虽未完成全部支护,但目前已建成的初期支护可以满足隧道的稳定性要求。
本文对Ⅴ级围岩和隧道洞口部分也进行了模拟,其支护结构的安全系数均大于1.4,满足稳定性要求。
4 隧道停工期间维护建议
1)对在Ⅴ级围岩区检测到的两处渗水,要及时进行排堵整治,对于线渗漏采用导管法,即在衬砌表面装上平行管或在漏水处补 V形或U形槽,而后用管材或合成橡胶等整形材料进行导水;2)由于隧道Ⅳ级围岩区普遍存在的初次支护喷浆不均情况,应喷射补充均匀,以防止二衬做后拱背留有空洞,对较大的超挖区和衬砌背后不密实区应进行注浆加固处理;3)根据模拟分析,最大弯矩值和轴力值出现在曲墙墙脚处,最大位移出现在底板处,因此建议在停工前补设仰拱,并完成底板片石混凝土的充填;4)由于停工期间的确定因素,应加强对隧道的收敛、变形的监测,出现异常情况,及时进行处理。
5 结语
根据检测结果,隧道的渗漏水位置、衬砌背后空洞或不密实带以及衬砌厚度不足位置基本相对应,因此要求在隧道施工中,应合理控制超挖,以防背后产生空洞,从而导致一系列安全隐患。
用 FLAC2D能有效地分析围岩的应力分布和预测拟建隧道对支护结构产生的变形影响,本文以未建成隧道为背景进行数值模拟,证实这种安全评估方法的可行性,并为此工程提出关注重点。即应重点关注应力集中带及受力不平衡区域。对其在停工前应做好充分的强度保障,如增设仰拱,充填混凝土底板等。
[1] 关宝树.隧道工程维修管理要点集[M].北京:人民交通出版社,2004.
[2] 陶连金,唐四海,金 亮.隧道上穿既有车站结构的变形预测和安全评估[J].地下空间与工程学报,2008,4(3):442-447.
[3] 陈建勋,罗彦斌,姜久纯.运营公路隧道安全评估[J].现代隧道技术,2006,43(4):68-70.
[4] 解宝新.既有公路隧道检测技术与安全性评估方法研究[D].广州:华南理工大学硕士学位论文,2007.
[5] 刘 波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.
[6] 孙广忠.岩体结构力学[M].北京:科学出版社,1988.
