云桂铁路石林隧道二次衬砌背后脱空受力分析及预防措施
彭万平，张春光
【摘 要】摘要：衬砌背后脱空是隧道质量通病之一。为了掌握二次衬砌各部位脱空对结构受力的影响，采用有限元计算方法对云桂铁路石林隧道二次衬砌拱顶、拱腰、边墙3个部位分别脱空1，2，4 m进行计算分析。结果表明:边墙脱空比拱部脱空对隧道衬砌结构安全的影响更大，对预防边墙脱空的重视程度需要加强。根据现场实践经验提出了预防脱空的措施。 【期刊名称】铁道建筑 【年(卷),期】2016(000)010 【总页数】3
【关键词】铁路；隧道；脱空；预防
1 工程概况
云桂铁路石林隧道设计为双线铁路隧道，净宽13.22 m，净高9.2 m。隧道Ⅱ，Ⅲ级围岩二次衬砌按承受围岩松弛荷载的30%设计，拱墙二次衬砌设计为C30素混凝土；Ⅳ，Ⅴ级围岩二次衬砌按承受围岩松弛荷载的50%设计，拱墙二次衬砌设计为C35钢筋混凝土。全隧穿越碳酸盐岩地层，碳酸盐岩脆硬，溶蚀裂隙发育，开挖轮廓不易控制，二次衬砌背后易产生脱空现象。
2 二次衬砌背后脱空对结构的影响
为了掌握二次衬砌各部位脱空对结构受力的影响，采用有限元计算方法对二次衬砌拱顶、拱腰、边墙3个部位无脱空及分别脱空1，2，4 m进行计算，共分为4种类型10种工况。
2.1 数值计算模型的建立及参数取值
由于隧道背后脱空现象多发生于岩层条件较好的硬质岩中，因此对隧道Ⅲ级围岩采用地层结构法进行平面应变分析。
计算模型横向宽度180 m，纵向高度150 m，直角坐标系的坐标原点位于仰拱中心。围岩材料均服从Mohr-Coulomb准则，以四边形为单元进行离散，地层—隧道断面网格划分示意如图1。隧道二次衬砌采用弹性梁单元模拟，左侧边墙脚处单元为1#，顺时针编号，二次衬砌共划分92个单元，见图2。 坐标系中，X轴平行于隧道横断面和水平面，Y轴垂直向上。静力分析中，两侧边界取X方向固定，Y方向自由；底部边界取Y方向固定，X方向自由；在2个角点上X，Y方向均固定。计算模型共离散为2 740个单元，2 850个节点。数值计算模型各参数取值见表1。 2.2 数值模拟工况
数值模拟共分为10种工况（见表2），其中1种无脱空工况，9种脱空工况。为模拟9种脱空工况，从隧道二次衬砌拱顶至边墙沿外轮廓每1.0 m划分一个脱空单元，脱空高度0.5 m，共划分16个脱空单元。其中，单元1～4为拱顶单元，单元9～12为拱腰单元，单元13～16为边墙单元，见图3。 2.3 计算结果
10种工况的二次衬砌梁单元节点安全系数计算结果见图4。
由图4可见：①边墙脱空在各工况中影响范围最大，影响范围达到拱顶中部及仰拱中部。②无论脱空位置出现于二次衬砌何处，在脱空0～4 m范围内，脱空4 m时对二次衬砌结构的影响最大。③边墙脱空对二次衬砌结构安全的影响最大，拱腰脱空次之，拱顶脱空影响相对最小。拱顶脱空4 m时，二次衬砌34号梁单元节点安全系数为13.006，相对于无脱空时该节点安全系数45.871
降低71.6%；拱腰脱空4 m时，二次衬砌46号梁单元节点安全系数为2.685，相对于无脱空时该节点安全系数19.629降低86.3%；边墙脱空4 m时，二次衬砌55号梁单元节点安全系数为1.889，相对于无脱空时该节点安全系数15.457降低87.8%。
可见，隧道衬砌无论是拱部脱空、拱腰脱空，还是边墙脱空，均极大地改变了隧道衬砌结构受力和变形状态，对衬砌结构的安全影响极大。衬砌结构可能因背后脱空造成混凝土结构受拉开裂，导致渗漏水和钢筋腐蚀，失去应有的承载能力。衬砌背后脱空后无法保证结构的长期安全运营，因此必须加以预防和处理。
3 衬砌背后脱空预防措施
预防二次衬砌脱空需从隧道开挖、初期支护、防水板铺设、混凝土浇筑、工装设备改进等各施工环节加以控制。具体措施如下：①将周边眼间距控制在50 cm以内，钻孔时严格控制周边眼外插角，控制开挖成型效果，为初期支护表面平整提供基础条件。②重视初期支护作业细节，保证初期支护平整度达标，为防水板铺设提供良好基面。③规范防水板铺设工艺，避免防水板紧绷或冗余造成局部脱空。防水板拱部固定点间距控制在0.8 m以内，边墙固定点间距控制在1.0 m以内，梅花形布置。防水板采用焊接固定，控制松弛度。④混凝土浇筑过程中，在灌注窗口采用丝杠对防水板进行固定，减少混凝土对防水板的拖拽，尽量避免入模混凝土直接冲击防水板。⑤混凝土浇筑过程中采用插入式振捣器配合附着式振捣器捣固，保证振捣效果。⑥在拱顶中部顺线路方向紧贴防水板预埋2根PVC花管，用于注浆和排气。⑦进一步研究、完善现有隧道二次衬砌的施工工艺，改进工装设备；在台车面板部位布设压力测定装置，用定
云桂铁路石林隧道二次衬砌背后脱空受力分析及预防措施
