分析高水压下衬砌背后空洞对结构受力的影响

朱宗军

摘要：在我国交通行业的工程建设中，衬砌这一永久性支护结构不仅能够有效保证高速公路以及铁路等交通方式的运行安全，还能够对整个隧道的使用寿命和期限产生最直接的影响。背后空洞是衬砌在使用过程中比较常见的一种病害故障，本文以隧道衬砌的背后空洞现象为主要研究对象，着重对高水压下衬砌背后空洞对结构受力产生的影响进行分析，旨在通过保证衬砌结构的质量和稳定性来促进我国交通行业的进一步发展。

关键词：背后空洞;隧道衬砌;高水压

前言：交通行业在现代社会的发展过程中发挥着重要的作用，无论是城市之间的经济联系、企业之间的货物运输还是人们的日常出行，都需要依靠交通行业来实现。也正是因为这种原因，现阶段交通工程的建设质量越来越受到人们的关注。隧道衬砌主要应用于我国的高速公路工程以及铁路工程建设当中，要想对高水压下衬砌背后空洞对结构受力的影响进行分析，首先就要了解隧道衬砌空洞病害的成因及特点。

一、隧道衬砌

（一）隧道衬砌的具体含义

在修建高速公路以及铁路等交通工程的过程中会涉及到一些地形地势比较复杂的地区，而为了保证道路工程的修建能够满足交通运输以及经济联系的需求，通常会在这些地势条件比较复杂的地区修建隧道来实现道路的建设。而在这个过程中，隧道衬砌作为能够有效支撑隧道的空间，并保证隧道结构稳定性的重要结构物，是需要在整个隧道工程的施工建设过程中重点注意的。在实际修建隧道衬砌的过程中需要满足强度、耐久性、抗冻、抗渗以及抗腐蚀性等方面的具体要求[1]。

（二）隧道衬砌背后空洞产生的主要原因

在实际的施工过程中，衬砌容易因为一些因素的影响而产生裂损的情况，这种情况也被称为背后空洞。而造成衬砌容易出现背后空洞的主要原因主要体现在混凝土收缩、混凝土浇筑期间技术使用不当以及采用的地压理论及计算方法不符合实际三个方面[2]。隧道衬砌主要是以混凝土作为主要的施工原料的，在实际施工的过程中为了减少因背后空洞的产生而对隧道的整体质量产生影响，就需要对混凝土的浇筑过程进行更加严格的管理和控制。

（三）隧道衬砌背后空洞的病害特点

背后空洞的特点主要包括三个方面，空洞出现的因素多种多样、成因不确定以及空洞引起的衬砌破坏具有发展性。我国不同地区的地形地势存在着一定的区别，对于不同地区的隧道衬砌来说，由于其受到的各种外力因素以及人为因素的影响而导致的空洞的出现原因呈现出多样性的特点。而由于空洞的出现本身就会破坏隧道结构的稳定性和安全性，如果不能够及时对空洞采取补救的措施，就会使得衬砌破坏的范围逐渐扩大。

二、高水压下衬砌背后空洞对结构受力产生的影响具体分析

隧道衬砌本身是能够为隧道的结构稳定性和安全性提供保障的重要结构物，背后空洞的病害是目前影响隧道衬砌质量的主要病害之一。对衬砌背后空洞对结构受力产生的影响进行分析能够为衬砌的保护以及病害治理提供一定的思路。在对高水压下衬砌背后空洞对结构受力产生的影响进行分析时，主要可以从以下几个方面来着手：

（一）空洞存在对围岩应力分布产生的影响

围岩应力是道路工程在实际的施工过程中经常会存在的一种能够对道路工程的结构稳定性产生影响的力量数值。在无水压的情况下，存在空洞的状态不同会产生不同的围岩最大主应力场。而当在高水压的环境下时，由于隧道开挖以及支护的施工都会对围岩应力的状态产生一定的影响，在这种情况下，不同的空洞状态也会对在无水压情况下产生的不同围岩应力场的数值产生一定的影响。拱顶空洞、边墙空洞以及拱底空洞是目前最常见的三种空洞形态。

拱顶空洞对围岩应力场的影响主要是通过对上覆荷载的传递路径进行改变，进而使得空洞上覆的围岩应力释放出来，导致原本存在于空洞上方围岩的竖向应力减小，向周围以及拱底扩散。而这种空洞状态在发展的过程中会使得边墙区域的围岩应力逐渐增大，对仰拱区域的应力场产生的影响比较小。

边墙空洞状态的出现是会对围岩应力以及空洞区的衬砌产生影响最大的一种空洞形态。这种空洞在发展的过程中不仅会破坏水平应力场的分布情况，还会使得空洞区的衬砌逐渐纤细变形而使得空洞对整个隧道的影响和破坏程度逐渐增大。

拱底空洞则由于其发生空洞的位置对整个隧道的结构不会产生较大的影响，因而也不会对整个拱部的围岩应力场的分布产生影响。

（二）空洞存在对水压的折减作用

地下水是在整个隧道进行开挖的过程中需要重点注意的会影响隧道结构稳定性以及质量的因素之一。而由于衬砌在实际的施工过程中需要保证隧道整体结构的稳定性和安全性，因而其具有较高的抗渗能力。这样就会导致隧道在实际的施工修建过程中因为改变了地下水原本的排泄渠道而使得围岩应力的内渗流场也产生一定的变化。而在这个过程中如果出现了空洞，水压在原本发生折减作用的过程中就会因折减系数的变化而对二次衬砌以及衬砌结构的稳定性产生影响。而空洞的存在对水压的折减作用也会依据不同的空洞形态而产生不同程度的影响。具体来说，拱顶空洞会使得空洞的拱顶、周边拱肩、拱腰等部位的折减系数产生比较明显的变化;仰拱底部的空洞则主要会使各个位置的水压折减系数明显减小;边墙空洞则由于其非对称性而导致空洞两侧对水压产生的折减作用也不同。

（三）空洞位置对二衬受力的影响

空洞的出现和存在对整个隧道产生的最严重的影响就是会通过影响围岩应力来使得衬砌结构容易出现变形的情况，进而影响隧道衬砌结构的稳定性。二次衬砌是在整个隧道施工过程中对初次支护进行混凝土模型的制作和浇筑，进而提高整个隧道衬砌的质量的施工工序。而在二次衬砌的过程中，各种接卸设备的应用不仅能够对整个施工的过程起到监控和管理的作用，还能够对衬砌的排水系统以及外观等方面起到优化和加固的作用。而在这个过程中，空洞的存在会导致原本就在高水压下的二次衬砌结构中的拱顶、拱底、拱腰以及边墙等位置受到的弯矩呈现出更加明显的变化，而这种变化不仅会导致围岩应力的变化，还会因空洞对二次衬砌中的轴力的影响而增大衬砌变形的趋势。

而通过前面的分析也可以得知，不同的空洞形态和位置对围岩应力以及水压的折减作用产生的影响也有一定的区别，在对背后空洞的危害以及防治措施进行研究的过程中，要重点针对不同的空洞形态对隧道衬砌产生的影响不同来采取不同的调整和优化措施，这样才能够保证隧道衬砌的质量，进而为整个道路工程的结构稳定性和安全性提供保证。

结论：综上所述，背后空洞会对整个隧道衬砌的结构稳定性和安全性产生重要的影响。在对高水压下衬砌背后空洞对结构受力的影响进行分析之后可以得知，要想保证隧道衬砌的结构稳定性，不仅要在施工建设的过程中對背后空洞的病害进行及时的防治，还要与不同的工程建设实际情况相结合，选择更有利的防治方案和处理办法。这样才能在保证结构质量的同时也能够提高整个隧道的安全性。

参考文献：

[1]车增军.直墙式隧道衬砌背后空洞对结构安全性影响研究[D].青岛理工大学，2020.

[2]余东洋.铁路隧道衬砌背后空洞缺陷安全性评价及处治对策研究[D].中国铁道科学研究院，2019.