偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：张昱辉（），男，工程师，硕士。偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级张昱辉（浙江数智交院科技股份有限公司杭州 ）摘要为方便判断偏压荷载作用下隧道衬砌损伤程度，文中结合浙江白阳山隧道采用塑性损伤与扩展有限元模型模拟分析偏压荷载作用下隧道衬砌结构损伤演化过程。结果表明，衬砌受力模式为左拱腰内侧受拉、右拱腰外侧受拉及左边墙外侧受拉；衬砌损伤变形主要可划分为阶段：左拱腰内侧开裂左拱腰外侧压屈阶段右拱脚内侧压屈结构破坏阶段，破坏形态表现为“左拱腰向内塌陷，左边墙、右拱腰向外扩张”；衬砌损伤状态可划分为级健康分级标准及级预警标准。关键词偏压荷载隧道衬砌损伤状态健康分级中图分类号 隧道的结构病害问题，如衬砌开裂、厚度不足、背后空洞等，会降低结构的承载能力，影响隧道的正常运营 。针对隧道承载能力，众多学者进行了广泛而深入的研究，刘俊对火灾后隧道二衬结构承载力及围岩稳定性进行了评估，推断衬砌损伤程度及风险程度；冯晓燕、李治国、张玉军等先后利用断裂力学分析了衬砌裂缝的深度、宽度、条数等参数对二次衬砌承载能力的影响；高洁、古银城基于全周加载装置，开展 的相似模型试验，先后按照拱顶松动荷载模式分析了不同裂损状态下衬砌结构的变形规律、破坏过程、破坏模式及极限承载力，并给出了承载力的拟合计算公式；王华牢等 针对某隧道在竣工后不久出现较多衬砌裂缝的情况，采用基于刚度退化理论的混凝土刚度折减公式，对带裂缝的衬砌结构进行了安全系数验算，用以分析裂损衬砌的承载性与安全性。尽管前人已对衬砌承载力作了大量研究，但衬砌损伤后的承载力与损伤深度、损伤位置、损伤类型等因素均有密切关系，致使工程实际中准确应用较为困难，目前对承载性能的评价仍以定性为主，我国 公路隧道养护技术规范 也只是依据裂缝特征，定性地将衬砌技术状况分为共个等级。本文依托 改建工程中白阳山隧道改造设计，研究偏压荷载作用下公路隧道衬砌承载状态评估与健康分级，以为项目实施提供依据，为类似工程提供借鉴。工程概况白阳山隧道位于浙江省武义县，建成已达 年，隧道穿越全、强风化凝灰质砂岩，节理裂隙发育，围岩稳定性一般较差，同时水量丰富。白阳山隧道地质纵断面图见图。图白阳山隧道地质纵断面隧道采用单洞双向行驶模式下穿白阳山，长度 ，埋深 ，隧道进出口均采用端墙式洞门，明洞采用现浇钢筋混凝土结构，暗洞衬砌结构为按新奥法原则采用复合式衬砌结构，采用锚杆、钢筋网及喷射混凝土等进行初期支护，二次衬砌采用混凝土结构，两层间设置防水层。衬砌结构图见图。图衬砌结构图（单位：）依据现场检测结果，白阳山隧道的典型病害主要为衬砌开裂。左拱腰典型纵向裂缝见图。图左拱腰典型纵向裂缝计算工况及模型参数选择左拱腰偏压荷载条件下衬砌裂缝为典型计算工况，计算工况信息见表。隧道衬砌采用混凝土损伤塑性模型，钢筋采用理想弹塑性模型模拟，混凝土、钢筋的物理力学参数见表。表隧道典型病害计算工况断面桩号埋深毛洞跨度犅毛洞高度犎围岩级别抗力系数犽（）二衬厚度 钢筋直径病害特征 左拱腰有纵向裂缝长度犔 ，宽度犇 ，深度犺 表钢筋、混凝土力学参数部位材料弹性模量 泊松比屈服应力 膨胀角（）直径衬砌混凝土 （受拉）、（受压）钢筋 计算模型三维有限元模型轴向长度取，不考虑钢筋和混凝土之间的黏结滑移，地层抗力通过只受压不能受拉的非线性弹簧模拟，采用扩展有限元模拟裂缝的扩展特征，有限元模型见图。图计算模型隧道结构破坏及裂缝扩展过程分析 隧道变形过程分析随外部荷载作用施加，隧道衬砌整体上表现为斜向压缩（拱顶下沉）、两侧边墙向外扩张的变形趋势，变形过程见图图，根据荷载变形曲线（见图），隧道变形总体可以划分为以下个阶段。）第阶段。结构处于弹性受力阶段（）。初始加载阶段，隧道结构各部位应力、变形呈线性缓慢增加，整体受力变形较小，当荷载达到 时，左拱腰内表面率先出现条沿衬砌轴向贯通的裂缝，裂缝初始深度 ，隧道左拱腰沉降 ，水平收敛为 。）第 阶段。隧道左拱腰内侧开裂左拱腰外侧压屈阶段（）。偏压荷载达到初始荷载 时，裂缝深度为 ，隧道左拱腰沉降 ，水平收敛为；偏压荷载达到 时，裂缝深度为 ，隧道左拱腰沉降 ，水平收敛为 。）第 阶段。隧道左拱腰外侧压屈右拱脚内侧压屈阶段（）。偏压荷载达到 时，裂缝深度延伸至 ，左拱腰受压屈服达到厚度的，隧道左拱腰沉降 ，水平收敛 ；偏压荷载达到 时，拱脚内侧开始受压屈服，裂缝深度延伸至 ，隧道左拱腰沉降 ，水平收敛 。）第 阶段。右拱脚内侧压屈结构破坏阶段（）。偏压荷载达到 时，裂缝显著张开，左拱腰内侧钢筋屈服达到 ，隧 道 左 拱 腰 沉 降 ，水 平 收 敛 ，结构发生破坏时，隧道结构表现为“左拱腰向内塌陷，左边墙、右拱腰向外扩张”的破坏形态。图隧道竖向变形（单位：）图隧道水平变形（单位：）张昱辉：偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级 年第期图隧道总体变形（单位：）图荷载与结构变形关系曲线 隧道裂缝扩展特征及损伤分析隧道裂缝扩展特征及损伤状态主要分为以下个阶段。）第阶段。裂缝未出现的弹性受力阶段（）。荷载在 之间时，隧道结构内部应力水平较低，隧道结构内表面混凝土未达到抗拉强度，结构整体处于弹性状态。）第 阶段。裂缝快速扩展阶段（）。裂缝扩展及应力状态见图。图裂缝快速扩展阶段由图可见，荷载达到 时，隧道结构内表面混凝土达到抗拉强度，左拱腰内表面率先出现条沿衬砌轴向贯通的裂缝，裂缝初始深度 ，结构内表面应力水平降低，随后随着荷载的增加，混凝土拉应力由外部向内部逐渐转移，裂缝同时向深部扩展。）第 阶段。裂缝缓慢扩展，钢筋应力快速增加阶段（）。裂缝扩展及应力状态见图。图 裂缝缓慢扩展阶段由图 可见，荷载在 之间时，裂缝深度维持在 左右，钢筋应力快速增加，随后左拱腰外侧、左边墙内侧，右拱腰内侧相继出现受压屈服。）第 阶段。结构屈服、破坏阶段（）。裂缝扩展及应力状态见图。年第期张昱辉：偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级图 结构屈服破坏阶段由图 可见，荷载达到 时，裂缝深度继续增加至 ，左、右拱腰压屈继续向深度方向发展、左拱腰内侧钢筋相继发生屈服，偏压荷载达到 时，裂缝显著张开，左拱腰内侧钢筋屈服达到 ，结构钢筋主要表现为偏压受力模式的左拱腰内侧受拉、右拱腰外侧受拉及左边墙外侧受拉。荷载与裂缝深度发展曲线、钢筋应力关系曲线分别见图、图。图 荷载与主裂缝深度关系曲线图 荷载与钢筋应力关系曲线衬砌结构损伤状态分级依据结构受力变形、应力应变分布及裂损情况，结合 公路隧道养护技术规范 对土建结构技术状况评定的分级标准，对偏压荷载作用下的隧道衬砌结构建立了级健康分级标准及级预警标准，具体见表。表拱腰偏压荷载作用下隧道结构损伤状态分级健康等级预警等级控制状态左拱腰偏压荷载 拱顶沉降边墙收敛裂缝深度 破损特征安全 弹性、无裂损级预警注意级 左拱腰内侧开裂，裂缝深度为 级预警警戒级 左拱腰外侧受压屈服级预警控制级 拱脚内侧开始受压屈服危险 裂损严重、快速发展通过健康分级得到计算工况断面在偏压荷载作用下的健康等级为级，需要进行级预警，控制状态为注意级，日常养护过程中加强裂缝监测，关注裂缝发展趋势。根据该分级标准，可确定白阳山隧道拱腰裂缝的损伤状态，并根据损伤状态制定处置方案。结语依托白阳山隧道洞口段实际地质条件研究了偏压荷载作用下公路隧道衬砌受力损伤演化过程，并据此分析衬砌承载状态及健康分级，得到以下结论。）偏压荷载作用下，衬砌受力模式为左拱腰内侧受拉、右拱腰外侧受拉及左边墙外侧受拉，衬砌破坏时极限承载力为 ，破坏时左拱腰沉降 ，水平收敛 。）偏压荷载作用下，衬砌损伤变形主要可划分为阶段：左拱腰内侧开裂左拱腰外侧压屈阶段右拱脚内侧压屈结构破坏阶段，破坏形态表现为“左拱腰向内塌陷，左边墙、右拱腰向外扩张”。）根据衬砌裂缝扩展特征和损伤分析，可将拱腰偏压荷载作用下隧道衬砌状态划分为级健康分级标准、级预警标准及级控制状态，可为隧道运营养护、评价隧道状态及处置方案的确定提供一定的借鉴。张昱辉：偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级 年第期参考文献侍军浩偏压荷载作用下隧道衬砌裂损失稳规律及 加固方法对比分析石家庄：石家庄铁道大学，李东平公路隧道的服役现状安全性评价管理体系构建黑龙江交通科技，（）：赵胜利岩坑尖隧道群衬砌裂缝原因分析及处理铁道标准设计，（）：刘俊公路隧道衬砌结构火灾损伤检测与评估研究交通科技，（）：冯晓燕隧道病害分级和衬砌裂损整治技术研究北京：北方交通大学，李治国，张玉军衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术现代隧道技术，（）：张玉军，李治国带裂纹隧道二次衬砌承载能力的平面有限元计算分析岩土力学，（）：高洁基于裂缝特征的公路隧道结构健康度评价与承载力分析上海：同济大学，古银城基于裂缝特征的衬砌结构承载力试验研究上海：同济大学，王华牢，李宁带裂缝的隧道衬砌刚度验算与加固长安大学学报，（）：韩荣杰，欧湘萍，闫志濠，等初期支护参数对断层破碎带隧道围岩稳定性的影响研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：（上接第 页）犛 犲 狀 狊 犻 狋 犻 狏 犻 狋 狔犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犠 犻 狀 犱犛 狆 犲 犲 犱犘 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊 犳 狅 狉犆 狅 狀 犮 狉 犲 狋 犲 犉 犻 犾 犾 犲 犱犛 狋 犲 犲 犾犜 狌 犫 狌 犾 犪 狉犜 狉 狌 狊 狊犘 犻 犲 狉 狊犘 犃犖犑 犻 狀 犵 犫 狅，犢 犝犑 犻 犪 狀 犺 狌 犪，犆犎犈犖犉 狌 犼 狌 狀，犣犎犃犖犌犡 犻 犲 犱 狅 狀 犵（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；年第期张昱辉：偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级