1、1公路隧道二次衬砌顶部脱空结构的受 力 分 析 及 处 理 措 施【摘要】 本文指出公路隧道二次衬砌顶部脱空现象产生的主要原因，用结构力学方法分析了公路隧道二次衬砌顶部脱空结构的受力和位移，并提出处理措施，供监理和施工单位在实际工作中参考。关键词 公路隧道 二次衬砌 顶部脱空 受力分析 处理措施1 前言随着高等级公路的修建，公路隧道在路线中的比重日趋增大。同时在公路隧道公路施工中，存在的质量问题也逐步显露出来，其中二次衬砌顶部脱空现象已成为较为严重的质量通病。通过近年来的调查，几乎所有的公路隧道均存在不同程度的二次衬砌顶部脱空现象。据最近对四座公路隧道的抽样检查，共抽查 29 点，拱顶脱空 1
2、5 点，占 51.7%，平均脱空高度 14.5cm，其中最大脱空高度 79 cm。最为严重的一座隧道由于二次衬砌顶部脱空，出现了数条长达 10 余米的纵向裂缝，最大裂缝宽度达 2mm 左右。对于如此严重的质量通病问题，必须引起公路建设者的高度重视。本文初步分析了公路隧道二次衬砌顶部脱空产生的主要原因，用结构力学方法推导出典型二次衬砌结构的受力计算公式，进而提出预防和处理措施，供公路隧道施工、监理人员参考。2 二次衬砌顶部脱空的主要原因用“新奥法”施工的公路隧道，虽然锚喷结构作为支护的一种主要手段，二次衬砌作为结构受力的一个组成部分也起到承受围岩压力的辅助作用。同时二次衬砌对于洞内设备的支承、防
3、腐蚀、防水和增加洞内美观、照明效果和通风流畅起了重要作用。因此，提高公路隧道二次衬砌的施工质量是十分必要的。目前，公路隧道二次衬砌一般用模注砼施工。据了解，造成公路隧道二次衬砌顶部脱空现象的主要原因是施工工艺、砼收缩、围岩压力等方面。2.1 施工工艺由于对公路隧道二次衬砌存在着片面认识，认为围岩压力是由锚喷砼承受的，二次衬砌仅仅起到装饰作用。错误的施工指导思想导致了施工马虎，拱顶部分衬砌砼厚度不足，超挖部分空间未填实，这是造成二次衬砌拱顶部分脱空的主要原因。其次是模板支架底部不坚实，或支架疏松，以致顶部模板下沉量过大，造成顶部衬砌砼下沉脱空。2.2 砼收缩施工时对原材料质量控制不严，砂粒过细，
4、水泥用量过大；其次是砼水灰比过大，特别是泵送砼施工时极易造成砼水灰比过大；温差和隧道内通风状况对砼收缩也有一定的影响。22.3 围岩压力公路隧道地质变化频繁发生，局部地段围岩性状变化和地下水富集，对锚喷结构产生不利影响，进而影响二次衬砌。对于二次衬砌后未及时浇筑砼路面的立墙底部，立墙可能产生相对内移，以致拱顶下沉。3 二次衬砌的受力分析3.1 力学模型公路隧道二次衬砌力学模型主要有拱架结构、无铰拱、带拉杆的两铰拱、封闭环、薄型圆环、三铰拱等 1、2 。为了适合现场监理和施工人员的实际情况，本文用概念明确、计算便利的解析法建立力学模型。假定如下：a.二次衬砌为直墙圆拱结构。b.两直墙底部为铰接。
5、因二次衬砌模注砼时路面一般没有浇筑，直墙底部与基底铰接较为符合实际情况。c.二次衬砌的荷载按文献3取用。当二次衬砌拱顶部分衬砌脱空时，拱部仅受拱圈恒载作用，未脱空时受恒载和围岩压力共同作用。不计立墙自重。3.2 二次衬砌的内力分析3.2.1 二次衬砌顶部密实时的内力计算二次衬砌的受力图式如图 1 所示。在图 1 中，q 1为围岩压力 qw与拱圈自重 qz之和，q 2为围岩侧压力。力法方程为（1）0xR式中 赘余力。在图 1（b） 、 （c）中，直墙 BC（AD）和拱部 CE（DE）的弯矩（刚构外侧为正，内侧为负）分别为(2)21)(yqMmADBC段 ）（ 20hy(3) ）（）（ ，（段 1
6、22211 0148)( hyhqxlqlxhE3在 CE(DE)段，将 代入（2） 、 （3）式，令),cos(,cosRyx，得cos20Rh2320201 02202121121 )sin4(sin )cos(EIhRhEI dyIRdhEIdmhBCC （4） 202220 2121 1211 )cos( )sin4(8hBCqCEqq dyqEIRdRhqlI dsMmIds（5）24 230220302321) (cosin1)sin()3sin( i41EIhq RhRllI 将式（4） 、 （5）代入式（1） ，可解得赘余力 ，并用叠加法求得任一截面的弯矩：x（6）qxMmR同
7、理，可用截面法求出任一截面的剪力和轴力。拱顶、拱脚、 处截面的轴力、剪力41和弯矩分别为（7）221280hqlhRMQqNXdxd（8）2212cos)(sinincohqRMj RlQqNjXxj 4（9）21211412 1141 )(83)( cos4sin i2c)( hqlhRMlqQlqhNXXx3.2.2 二次衬砌顶部脱空时的内力计算二次衬砌顶部脱空时，最保守的算法是假设拱顶的围岩压力为零，则拱顶荷载仅为拱圈自重 ，既 ；拱圈部分侧压力在 高度段为零，即围岩侧压力 在 高度段为zqz1 1h2q1h零。于是 同式（4） ； 为q120222021 1211 1)cos( )si
8、n4(8shzBCqCEqq dyqEIRdRhqlI dsMmId（10）24320 220201 )sin1)sin(4 sin) EIhqRqRhqhlqlEIzz zz 将式（9） 、 （10）代入式（1） ，可解得赘余力 ，并用叠加法由式（6）求得任一截面x的弯矩。同理，可用截面法求出任一截面的剪力和轴力。拱顶、拱脚、 处截面的轴力、41剪力和弯矩分别为（11）)2(180122 hqlhRMQqNzXdxd5（12）2221cos)(sininco1hqRMj RlQhqNjXxzjz （13）)2(132)(21cos4sininc)( 114241 hqhhRMlqQlNzXz
9、xzx3.2.2 算例某公路隧道计算数据为： , , ,3.,79.60m07.12.4mR8.7拱顶厚 立墙厚 砼 。三类围岩 0.45,304,1ml 5cmd4cdl 2Cwq，拱圈 ，于是236 /.1)(.2KN 53.zq2/KN， 。每延21 /8qzw 60413.0mqw米宽度计算结果见表 1：截面内力计算表 表 1拱 顶 密 实 拱 顶 脱 空截面位置 Rx(KN) N(KN) Q(KN) M(KN.m) Rx(KN) N(KN) Q(KN) M(KN.m)拱顶 326.342 0 -323.214 107.395 0 146.817处41400.581 435.261 -
10、354.938 113.091 73.152 374.659拱脚91.680687.068 670.371 817.700-55.72856.125 53.685 121.935由表 1 可见，二次衬砌拱顶脱空时拱部均为正弯矩，即拱部上缘受拉，按常规配筋拱部上缘不配受力钢筋，这就会使拱部上缘受拉开裂,导致渗漏水和腐蚀钢筋，进而使二次衬砌砼破坏。另一方面，二次衬砌拱顶脱空以后，围岩失去应有的保护和支护，可能使围岩松驰和变形增大，进而导致围岩失稳、脱落破坏。因此，二次衬砌顶部脱空现象是一种必须加以预防和处理的质量通病。4 处理措施二次衬砌拱顶脱空的危害性是非常严重的，留下了工程隐患，补救处理十分困
11、难，要加强防患，严防发生出现二次衬砌拱顶脱空现象。首先，要端正对公路隧道二次衬砌存在的片面认识，严格按隧道施工技术规范施工 4；健全完善工程施工质量保证体系，加强自检，严格监理，把出现质量问题的苗头消灭在萌芽状态。其次，把好原材料质量关，不使6用不合格材料；控制好砼的水灰，既要保证砼的和易性以利振捣密实，又要防止砼收缩出现裂缝；改善施工环境，合理安排施工程序，克服温差带来的不利影响。第三，注重围岩变形量测，及时锚喷处理不良围岩结构、进行二次衬砌；适时浇筑隧道内的砼路面，改善二次衬砌的受力状态，防止立墙变形引起拱顶下沉。第四，注重施工工艺，加强模板支架，预留适当的预拱度。等等。总之要加强施工管理
12、，采取预防措施，防止二次衬砌顶部脱空现象的发生。4.1 二次衬砌顶部脱空的处理措施目前，二次衬砌顶部脱空的处理措施一般为喷浆补强和返工衬砌两种。下面分两种情况予以分析：一是类以上围岩，二是类以下围岩。4.1.1 类以上围岩按规范规定二次衬砌可作为安全储备，按构造要求设计，不计算受力。文献4规定拱顶围岩最大允许下沉参考值如表 2：拱顶下沉允许值（%） 表 2埋 深（m）围岩类别50 50300 301500 0.050.3L 0.10.5L 0.201.2L 0.080.5L 0.21.2L 0.152.0L 0.100.8L 0.31.6L 0.503.0L表中：L隧道水平开挖宽度。文献3虽然
13、规定拱顶围岩最大允许下沉参考值，但并没有规定二次衬砌拱顶砼的最大允许下沉参考值，而文献4规定二次衬砌施工操作可在“位移已达到预计总位移量的80%90%”时进行。如果把拱顶围岩位移预计总位移量的其余 10%20%理解为二次衬砌拱顶砼的下沉参考值（由于二次衬砌砼结构的作用，其拱顶砼的下沉量远小于此值，且理论上围岩与衬砌是密贴的） ，则二次衬砌拱顶砼的最大下沉量不能超过表 2 上限值的 10%20%。换句话说，二次衬砌顶部脱空的最大值不能超过表 2 上限值的 10%20%。以本文算例数据（埋深 301500m，围岩类型改为类）计算，二次衬砌拱顶砼的最大脱空量为：1.2%1100（10%20%）=1.
14、3cm2.6cm。对于类以上围岩，当围岩地质不存在夹层和特殊不良情况时，经过锚喷处理的二次衬砌，能确保围岩稳定，且衬砌厚度足够、顶部脱空小于表 2 的计算值时，建议暂不作补救处理，定期观察、量测变形发展情况，再作处理；如难以确保围岩稳定，则应进行灌浆补强处理。如顶部脱空大于表 2 的计算值时，宜作灌浆补强处理。当顶部脱空特别严重时，应返工重新填实衬砌或局部返工填实补救衬砌。某公路一座 300m 隧道，顶部平均脱空（抽样钻芯数据）15cm,用灌浆补强，水泥耗用多达 50t。可见，二次衬砌顶部脱空补救处理费工、费料、费时。4.1.2 类以下围岩对于类以下围岩，二次衬砌作为承载结构设计，应当更加引起
15、重视。二次衬砌拱顶脱空时拱部出现正弯矩使拱部上缘受拉，首先要摸清脱空情况，进行受力验算，然后根据受力情况作适当处理，如灌注高标号砼；对于上缘不配受力钢筋的结构，宜作返工处理。如拱顶脱空量很大，拆除原二次衬砌后，在拱顶填充轻质材料，重新浇筑二次衬砌砼。5 结束语a、在公路隧道公路施工中，二次衬砌顶部脱空现象已成为较为严重的质量通病,应当引起公路建设者的高度重视。首先要改变对公路隧道二次衬砌存在着的片面认识，重视二次衬砌的作用，强调以预防为主，防患于未然；其次，加强施工质量管理，严守施工操作7规程；第三，发现问题及时处理，不留隐患。b、类以上围岩出现二次衬砌顶部脱空现象，当围岩较好时，处理较为方便
16、。本文提出二次衬砌拱顶砼的最大允许脱空值，因规范没有规定，仅作参考。类以下围岩出现二次衬砌顶部脱空现象时，处理较为困难，脱空严重时，应当作返工处理。c、温差影响和砼收缩按文献3进行计算，本文不再说明。d、本文采用的二次衬砌力学模型是基于概念明确、计算便利、便于现场施工和监理人员初步分析而提出的，进一步解决二次衬砌顶部脱空的受力计算，一般用有限元法。显然对于一般的现场施工和监理人员，使用有限元法是较为困难的。就有限元法本身而言，对于解决复杂的复合衬砌问题，仍尚在研究之中。文献3指出，计算复合衬砌可用近似的解析法，从这个意义上来讲，解析法体现了一定的优越性。本文用直墙圆拱力学模型，若采用其他模型，如多圆仰拱结构，仅需改变积分式，同理可得到类似结果。最后，由于笔者专业水平不高，经验不足，文中差错之处敬请专家同行指正。参考文献1 易萍丽.现代隧道设计与施工.北京：中国铁道出版社，19972 唐 颖.公路隧道模注砼二次衬砌的设计.合肥：华东公路，1998，33 中交部标准.公路隧道设计规范（JTJ026-90）.北京：人民交通出版社，19944 中交部标准.公路隧道施工技术标准（JTJ042-94）.北京：人民交通出版社，1995
