CN116822033B - 一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道衬砌结构病害判别领域，具体涉及一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，包括如下步骤：（1）选取隧道典型病害断面；（2）获取典型病害断面的围岩力学参数和支护结构参数，并基于围岩力学参数计算围岩压力；（3）基于围岩压力及支护结构参数构建荷载结构模型，通过荷载结构法分析不同工况下典型病害断面不同位置处衬砌结构受力及变形破坏结果，与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明提出了一种膨胀岩破坏机制的判别方法，通过比对衬砌典型病害发展情况与衬砌结构受力及破坏情况，得出隧道衬砌破坏原因，辨别膨胀岩隧道结构破坏机制，可进一步确定膨胀荷载和膨胀变形。
Description
技术领域
本发明涉及隧道衬砌结构病害判别领域，具体涉及一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法。
背景技术
膨胀岩是指与水发生物理化学反应，导致岩石含水量随时间增加，且体积随时间增大的一类岩石。膨胀岩在我国二十多个省市均有分布，随着我国隧道工程建设规模的扩大，膨胀岩隧道问题越来越突出。膨胀岩遇水发生膨胀的过程是缓慢的，所以建设期很难及时发现围岩膨胀，由此导致膨胀岩隧道衬砌结构病害问题复发率高、危害性大、治理难度大，引起了工程界的广泛关注。
目前，关于膨胀岩隧道的研究主要针对设计施工技术、病害处治措施和病害机理展开，尚缺乏科学合理的方法判断围岩吸水膨胀导致隧道结构破坏机制，从而无法准确计算围岩压力和膨胀压力。
衬砌不同破坏机制对结构的作用荷载不同，工程中采取的病害处治措施也不同，因此为科学合理处治膨胀岩隧道结构病害，保证膨胀岩隧道的安全运营，亟需提出一种判别膨胀岩隧道衬砌结构破坏机制的方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的工程价值和经济效益，这正是本发明专利得以完成的动力所在和基础。
因此，鉴于目前存在的问题，如何利用隧道衬砌的病害发展情况建立一套完整的破坏机制判别方法，不仅开拓了隧道衬砌破坏研究新领域，也具有良好的经济效益、社会效益及工程应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。
发明内容
为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。
具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，通过比对不同工况下衬砌结构受力及变形破坏结果与病害实际发展情况，得出膨胀岩隧道结构破坏机制，为隧道安全正常运营提供理论依据和技术支撑。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，包括如下步骤：
（1）选取隧道典型病害断面；
（2）获取典型病害断面的围岩力学参数和支护结构参数，并基于围岩力学参数计算围岩压力；
（3）基于围岩压力及支护结构参数构建荷载结构模型，通过荷载结构法分析不同工况下典型病害断面不同位置处衬砌结构受力及变形破坏结果；
（4）将不同工况下衬砌结构的受力及变形破坏结果与病害实际发展情况对比，确定膨胀岩隧道结构破坏机制。
在本发明中，作为一种改进，选取隧道典型病害断面包括：
（1）分析隧道病害类型及膨胀岩赋存情况；
（2）选取与隧道病害类型一致且膨胀岩赋存吻合的断面为典型病害断面。
在本发明中，作为一种改进，获取典型病害断面的围岩力学参数包括岩石变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；
获取典型病害断面的支护结构参数包括二次衬砌混凝土弹性模量、泊松比、重度、抗压强度、抗拉强度和厚度；
步骤（4）中，病害实际发展情况包括病害出现时间、随时间变化病害发展趋势及病害规模信息。
在本发明中，作为一种改进，所述围岩压力包括形变压力和膨胀压力，其中，
形变压力为隧道围岩变形受到支护结构限制后，围岩对支护结构形成的压力；
膨胀压力为围岩吸水膨胀崩解所引起的压力。
在本发明中，作为一种改进，所述衬砌结构受力及变形破坏结果包括衬砌结构弯矩、轴力、安全系数、水平变形量和竖向变形量。
在本发明中，作为一种改进，形变压力的计算方法如下：
隧道洞室为圆形断面时，围岩不发生膨胀的情况下计算围岩形变压力P 1，计算公式如下：
；
；
其中，R p 为塑性区半径、U r 为地应力引起的隧道表面位移，σ 0为隧道深埋处原始地应力，C为粘聚力，j为内摩擦角，r 0为隧道开挖半径，G为围岩的剪切模量，且G=E/[2(1+μ)]；
隧道洞室为圆形断面时，围岩膨胀只产生膨胀力情况下计算围岩形变压力P 1，计算公式如下：
；
；
隧道洞室为圆形断面时，围岩膨胀产生膨胀变形且膨胀变形半径小于塑性区半径情况下计算围岩形变压力P 1，计算公式如下：
；
。
在本发明中，作为一种改进，所述步骤（3）中的不同工况包括：
工况1：隧道表面位移小于工程允许值，且隧道围岩未吸水膨胀；
工况2：隧道表面位移小于工程允许值，且隧道围岩吸水膨胀只产生膨胀力；
工况3：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩未吸水膨胀；
工况4：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩吸水膨胀既产生膨胀力又产生膨胀变形。
在本发明中，作为一种改进，所述安全系数用于判断结构是否发生破坏，安全系数判别条件如下：
（1）当钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度，安全系数小于2.0时，达到结构破坏条件；
（2）当混凝土达到抗拉极限强度，安全系数小于2.4时，达到结构破坏条件。
在本发明中，作为一种改进，确定隧道衬砌破坏机制包括：
（1）分析工况1和工况2两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型相同，则结构破坏是围岩膨胀力与围岩压力共同作用导致；
（2）分析工况3和工况4两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型相同，则结构破坏是围岩膨胀力、膨胀变形和围岩压力共同作用导致。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提出了一种膨胀岩破坏机制的判别方法，通过比对衬砌典型病害发展情况与衬砌结构受力及破坏情况，得出隧道衬砌破坏原因，辨别膨胀岩隧道结构破坏机制，可进一步确定膨胀荷载和膨胀变形，为提出精细化结构病害处治措施提供了技术保障。
（2）本方法旨在准确计算围岩吸水膨胀情况下隧道衬砌结构受力荷载和变形量，确定衬砌结构破坏位置及其破坏程度，由此为膨胀岩隧道衬砌结构重点加固部位的筛选提供技术依据与路径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明隧道洞周关键点分布位置示意图；
图3为本发明隧道衬砌荷载结构模型示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本申请公开了一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，所述判别方法包括：
获取隧道典型病害断面的病害发展情况；
计算分析不同工况下隧道衬砌结构受力和破坏情况；
基于前两者的对比，判别膨胀岩隧道衬砌结构破坏机制。
其中，获取隧道典型病害断面的病害发展情况包括：
（1）选取隧道典型病害断面；
（2）获取典型病害断面主要病害类型、结构破坏位置、病害出现时间、随时间变化病害发展趋势以及病害规模信息。
选取隧道典型病害断面要同时考虑隧道病害类型和膨胀岩的赋存情况，应选取与隧道病害类型一致且断面围岩中含有大量膨胀岩的断面为典型病害断面。
选取典型病害断面后，基于工程历史数据获取病害信息及发展情况。
计算隧道衬砌结构受力和破坏情况包括：
（1）获取典型病害断面的围岩力学参数和支护结构参数，并基于围岩力学参数计算围岩压力；
（2）基于围岩压力及支护结构参数构建荷载结构模型，通过荷载结构法分析不同工况下典型病害断面不同位置处衬砌结构受力及变形破坏结果。
所述工况为预设条件，将不同工况条件计入荷载结构模型，得出该工况条件下隧道衬砌典型病害断面不同位置处衬砌结构变形破坏结果，与实际病害发展结果进行比对后，得出衬砌结构的破坏机制。
所述工况包括膨胀力对比组及膨胀力加膨胀变形对比组，其中膨胀力对比组包括：
工况1：隧道表面位移小于工程允许值，隧道围岩未吸水膨胀；
工况2：隧道表面位移小于工程允许值，隧道围岩吸水膨胀只产生膨胀力；
工况1和工况2的隧道表面位移一致，变量为膨胀力。
膨胀力加膨胀变形对比组包括：
工况3：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩未吸水膨胀；
工况4：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩吸水膨胀既产生膨胀力又产生膨胀变形。
工况3和工况4的隧道表面位移一致，变量为膨胀力加膨胀变形。
计算需要获取的围岩力学参数包括：岩石变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度。
支护结构参数包括：二次衬砌混凝土的弹性模量、泊松比、重度、抗压强度、抗拉强度和衬砌厚度。
围岩压力包括形变压力和膨胀压力，形变压力为隧道围岩变形受到支护结构限制后，围岩对支护结构形成的压力；膨胀压力为围岩吸水膨胀崩解所引起的压力，围岩膨胀压力由现场取样的膨胀岩试块进行膨胀力试验获得。
获取膨胀压力后，计算不同工况下的围岩形变压力，给出二次衬砌荷载承载比例，确定支护结构荷载，明确荷载施加方向和施加范围，得到衬砌结构受力及变形破坏结果，二次衬砌荷载承载比例根据实际隧道车道数、衬砌结构类型依据规范选择数值。
形变压力的计算如下：
当围岩状态为未膨胀时，围岩形变压力计算公式为：
；
。
当围岩状态为膨胀只产生膨胀力时，围岩形变压力计算公式为：
；
。
当围岩状态为膨胀产生膨胀力和膨胀变形时，围岩形变压力计算公式为：
；
。
计算中，根据隧道典型病害断面图、支护结构参数、围岩力学参数通过有限元数值模拟软件构建荷载结构模型，进行数值计算，所建立的模型基于不同工况下选取隧道洞周关键点并获取关键点计算数据。
衬砌结构受力及变形破坏结果包括衬砌结构弯矩、轴力、安全系数、水平变形量和竖向变形量，结构弯矩、轴力可以反映结构受力大小，弯矩靠近围岩处受拉为正，远离围岩处受拉为负，轴向拉伸时轴力为正，轴向压缩时轴力为负，分析结构受力时可以只考虑数值大小，不考虑正负，安全系数可以反映结构破坏情况，安全系数越大结构越安全，表示结构破坏的安全系数临界值的取值根据隧道衬砌的规范获取，安全系数用于判断衬砌关键点是否破坏，进而与实际病害发展对比。
不同工况下隧道衬砌结构受力和破坏情况与隧道典型病害断面的病害发展情况对比包括：
（1）分析工况1和工况2两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型一致，则结构破坏是围岩膨胀力与围岩压力共同作用导致；
（2）分析工况3和工况4两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型一致，则结构破坏是围岩膨胀力、膨胀变形和围岩压力共同作用导致。
实施例一：
某膨胀岩隧道设计为双洞单线隧道，隧道最大埋深约550m。隧道主体支护采用复合式衬砌结构。
Ⅳ级围岩地段主要采用Ⅳ型复合式衬砌结构，初期支护采用C25喷射混凝土，厚度为18cm，边墙锚杆为∅22砂浆锚杆，长度L=2.5m，环1.2m×纵1.2m；二次衬砌采用C30钢筋混凝土现浇，厚度为35cm。
Ⅴ级围岩地段主要采用Ⅴ型复合式衬砌结构，初期支护采用C25喷射混凝土，厚度为20cm，边墙锚杆为∅22砂浆锚杆，长度L=3.0m，环1.0m×纵1.0m，全环钢筋网采用HPB235钢，环向为8mm，纵向为6mm，网格间距为200×200mm；二次衬砌采用C30钢筋混凝土现浇，厚度为35cm，隧道开挖半径r 0根据结构断面取值4.56m。
隧道通过区域洞身埋深最大为556m，病害段区域构造作用强烈，褶皱及断裂发育，隧道洞身附近最大水平主应力约为15～20MPa，最小水平主应力约为10～12MPa，垂直主应力约为11～12MPa，地应力特征以水平构造应力为主，隧道地层岩性主要有砂岩、泥岩、页岩、页岩夹灰岩、角砾状白云质泥灰岩、膏溶角砾岩、膏溶角砾状泥灰岩和泥灰岩互层等，围岩强度及完整性的变化较明显。
通过对隧道膨胀围岩取样并进行膨胀力试验，测得岩石的最大膨胀力σ pmax =1.13MPa。围岩地应力σ0根据实际测量取值12.0MPa。
运营过程中隧道多处出现大规模结构病害，隧道病害主要分布于衬砌、路面、水沟及电缆槽，主要病害类型包括：衬砌裂缝、衬砌掉块、衬砌渗漏水、路面与电缆槽离缝、水沟及电缆槽挤压变形、混凝土腐蚀、路面隆起及翻浆冒泥。
由上述可知，隧道围岩膨胀作用主要是泥灰岩遇水膨胀，泥灰岩的厚度和分布起到关键性作用，所以典型病害断面的选取同时考虑隧道病害类型和泥灰岩的赋存情况。隧道病害区段围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级，其中病害段以Ⅳ级围岩居多，且地层岩性主要为泥灰岩、灰岩和泥灰岩夹层，综合考虑隧道结构病害特征和泥灰岩分布情况，选取隧道典型病害断面K1进行衬砌结构数值模拟分析。
该隧道地质勘察中对围岩进行钻孔取样，对获取的围岩岩样进行岩石物理力学试验，得到岩石物理力学参数如下表所示：
地下水作用下隧道围岩膨胀有两种表现形式，围岩形变压力大于等于最大膨胀力P 1 ≥ σ pmax，围岩膨胀只产生膨胀力；围岩形变压力小于最大膨胀力P 1 < σ pmax，围岩膨胀既产生膨胀力又产生膨胀变形。
围岩膨胀只产生膨胀力情况下，取围岩形变压力最小值P 1 = 1.13MPa，根据公式计算得到隧道表面位移U r = 2.58cm。
围岩膨胀产生膨胀力和膨胀变形情况下，工程上允许隧道表面位移U r = 3.0cm，根据公式求得对应的围岩形变压力P 1 = 0.55MPa。
围岩未膨胀条件下，隧道表面位移U r 取值2.58cm和3.0cm由公式
计算得围岩形变压力分别为1.35MPa和0.45MPa。
基于荷载结构法进行隧道表面位移为U r = 2.58cm和U r = 3.0cm围岩膨胀前、后的数值计算，根据相关规范，二次衬砌荷载承载比例取值为50%，4种计算工况如下表所示：
典型病害断面衬砌结构破坏机理数值计算工况
典型断面K1初期支护采用C25喷射混凝土，厚度为18cm，二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度为35 cm。根据相关规范，确定衬砌支护结构材料参数如下表所示：
隧道衬砌支护结构参数
根据断面衬砌受力特性研究经验选取如图2所示的隧道洞周关键点。根据隧道典型病害断面、支护结构参数和围岩力学参数构建荷载结构模型，如图3所示，并进行有限元数值计算。
四种工况的计算结果分别如下表所示：
工况1数值计算结果
工况2数值计算结果
工况3数值计算结果
工况4数值计算结果
该隧道于2013年6月全线贯通，2015年1月开通运营，2015年3月隧道典型断面出现病害。围岩吸水膨胀是一个缓慢的过程，隧道建成时围岩处于未吸水膨胀或吸水膨胀的早期阶段，此时围岩膨胀对结构的影响可以忽略不计，此时围岩未膨胀。从病害发展过程可以看出，隧道建成时典型病害断面结构未出现破坏，隧道建成21个月后结构出现病害，即围岩未膨胀情况下结构不发生破坏，随着围岩吸水膨胀，结构出现破坏。
工况1和工况2的计算结果表明典型病害断面破坏过程为：围岩未膨胀情况下结构出现破坏，围岩吸水膨胀产生膨胀力后结构破坏程度加重、结构破坏范围扩大，与实际破坏情况不符，因此，隧道衬砌的破坏不属于工况1和工况2所对应的膨胀力作用导致。
工况3和工况4的计算结果表明，隧道衬砌结构的破坏出现在围岩吸水膨胀后，围岩未膨胀情况下结构不发生破坏，隧道典型断面病害类型主要为衬砌开裂、衬砌掉块、边墙崩裂、水沟挤压变形，工况3、4中安全系数的计算结果表明，围岩吸水膨胀后拱脚处最先发生破坏，随后是拱腰，在膨胀变形作用下边墙可能破坏，这一结果与典型断面出现的水沟挤压变形、拱腰掉块和边墙崩裂病害类型相一致。
由此，可以得出导致隧道典型病害断面结构破坏的原因是地下水作用下围岩吸水膨胀产生膨胀力和膨胀变形。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (6)
1.一种膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取隧道典型病害断面；
(2)获取典型病害断面的围岩力学参数和支护结构参数，并基于围岩力学参数计算围岩压力；
(3)基于围岩压力及支护结构参数构建荷载结构模型，通过荷载结构法分析不同工况下典型病害断面不同位置处衬砌结构受力及变形破坏结果；
(4)将不同工况下衬砌结构的受力及变形破坏结果与病害实际发展情况对比，确定膨胀岩隧道结构破坏机制；
选取隧道典型病害断面包括：
(1)分析隧道病害类型及膨胀岩赋存情况；
(2)选取与隧道病害类型一致且膨胀岩赋存吻合的断面为典型病害断面；
所述步骤(3)中的不同工况包括：
工况1：隧道表面位移小于工程允许值，且隧道围岩未吸水膨胀；
工况2：隧道表面位移小于工程允许值，且隧道围岩吸水膨胀只产生膨胀力；
工况3：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩未吸水膨胀；
工况4：隧道表面位移大于或等于工程允许值，且隧道围岩吸水膨胀既产生膨胀力又产生膨胀变形；
确定隧道衬砌破坏机制包括：
(1)分析工况1和工况2两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型相同，则结构破坏是围岩膨胀力与围岩压力共同作用导致；
(2)分析工况3和工况4两种情形下的结构变形破坏结果与实际隧道病害发展趋势是否一致，两种工况均一致且围岩膨胀后结构病害类型与实际病害类型相同，则结构破坏是围岩膨胀力、膨胀变形和围岩压力共同作用导致。
2.根据权利要求1所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，获取典型病害断面的围岩力学参数包括岩石变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度；
获取典型病害断面的支护结构参数包括二次衬砌混凝土弹性模量、泊松比、重度、抗压强度、抗拉强度和厚度；
步骤(4)中，病害实际发展情况包括病害出现时间、随时间变化病害发展趋势及病害规模信息。
3.根据权利要求1所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，所述围岩压力包括形变压力和膨胀压力，其中，
形变压力为隧道围岩变形受到支护结构限制后，围岩对支护结构形成的压力；
膨胀压力为围岩吸水膨胀崩解所引起的压力。
4.根据权利要求1所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，所述衬砌结构受力及变形破坏结果的分析参数包括衬砌结构弯矩、轴力、安全系数、水平变形量和竖向变形量。
5.根据权利要求3所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，形变压力的计算方法如下：
隧道洞室为圆形断面时，围岩不发生膨胀的情况下计算围岩形变压力P1，计算公式如下：
其中，Rp为塑性区半径、Ur为地应力引起的隧道表面位移，σ0为隧道深埋处原始地应力，C为粘聚力，为内摩擦角，r0为隧道开挖半径，G为围岩的剪切模量，且G＝E/[2(1+μ)]；
隧道洞室为圆形断面时，围岩膨胀只产生膨胀力情况下计算围岩形变压力P1，计算公式如下：
隧道洞室为圆形断面时，围岩膨胀产生膨胀变形且膨胀变形半径小于塑性区半径情况下计算围岩形变压力P1，计算公式如下：
6.根据权利要求4所述的膨胀岩地区隧道衬砌破坏机制的判别方法，其特征在于，所述安全系数用于判断结构是否发生破坏，安全系数判别条件如下：
(1)当钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度，安全系数小于2.0时，达到结构破坏条件；
(2)当混凝土达到抗拉极限强度，安全系数小于2.4时，达到结构破坏条件。
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