鐵路隧道襯砌厚度及強(qiáng)度不足安全性影響分析

杜志田，朱雙燕，趙福全，朱戰(zhàn)魁

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

引言

截至2020年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.6萬(wàn)km以上，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座，總長(zhǎng)約19 620 km[1]。隧道二次襯砌施工過(guò)程中，由于施工工藝的缺陷，可能會(huì)引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土厚度及強(qiáng)度不足，嚴(yán)重時(shí)甚至形成隧道背后空洞[2-3]。若襯砌質(zhì)量缺陷不能及時(shí)補(bǔ)救，極易發(fā)生重大安全事故[4]。

學(xué)者們對(duì)隧道襯砌缺陷的安全影響開(kāi)展研究。周偉[5]對(duì)廣東省某隧道二襯缺陷進(jìn)行了受力計(jì)算，對(duì)比了隧道襯砌有無(wú)缺陷情況下襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)關(guān)系；王興波等[6]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬方法，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)不同位置處應(yīng)力和安全系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析；王志杰[7]分析鹽漬土地層隧道底部襯砌厚度缺陷的安全性，研究了典型截面安全系數(shù)的變化規(guī)律；趙東平等[8-9]依托廈門(mén)翔安海底隧道工程，采用三維數(shù)值計(jì)算對(duì)隧道背后空洞及襯砌厚度不足等病害進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同位置、不同程度的襯砌空洞均會(huì)降低隧道襯砌安全性；汪婕舒[10]依托青藏鐵路昆侖橋隧道工程，對(duì)隧道缺陷進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，同時(shí)對(duì)襯砌空洞等缺陷機(jī)理進(jìn)行分析，并通過(guò)ANSYS進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證，提出了襯砌背后注漿、襯砌補(bǔ)強(qiáng)及圍巖加強(qiáng)等措施；曲建生[11]通過(guò)數(shù)值模擬研究，提出了在施工過(guò)程中針對(duì)隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)布線方式，為修復(fù)隧道缺陷的施工作業(yè)提供了指導(dǎo)；張旭[12]對(duì)連拱隧道襯砌背后空洞及襯砌厚度不足等缺陷進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，并對(duì)襯砌缺陷進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，明確了襯砌背后襯砌空洞及厚度不足情況下連拱隧道與圍巖的接觸壓力分布形式；樊永杰等[13]對(duì)西南地區(qū)某鐵路單線隧道襯砌背后缺陷整治措施進(jìn)行了研究，提出了泡沫混凝土塊、PE球及PVC管分別配合注漿填充的加固措施；劉劼等[14]從理論及破壞模型中探討了隧道襯砌空洞常見(jiàn)的破壞方式，發(fā)現(xiàn)采用襯砌缺陷成套技術(shù)中帶模注漿防治技術(shù)對(duì)襯砌缺陷處理效果顯著。

隧道襯砌缺陷對(duì)隧道安全性影響較大，目前研究成果大多僅對(duì)襯砌缺陷的某一種工況進(jìn)行分析。依托某鐵路隧道工程，對(duì)不同圍巖級(jí)別、不同襯砌類(lèi)型的厚度和強(qiáng)度不足缺陷進(jìn)行分析，得到了隧道襯砌缺陷的安全系數(shù)變化規(guī)律，所得結(jié)論對(duì)鐵路隧道襯砌缺陷整治提供一定參考。

1 工程概況

某鐵路隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道，路段設(shè)計(jì)時(shí)速200 km，軌面以上隧道凈空橫斷面面積81.37 m2。

隧道采用復(fù)合式襯砌，由初期支護(hù)、防水隔離層及二次襯砌組成，隧道Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖地段均采用曲墻帶仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)型式，Ⅲa和Ⅳa襯砌采用C30混凝土，Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb襯砌采用C35鋼筋混凝土。Ⅲ級(jí)圍巖隧道橫斷面尺寸如圖1所示。其他斷面尺寸如表1所示。

圖1 Ⅲa級(jí)圍巖隧道橫斷面(單位：cm)

表1 不同圍巖級(jí)別隧道橫斷面尺寸

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，該鐵路隧道襯砌厚度不足缺陷共有126處，其中，拱頂7處、左拱腰34處、右拱腰29處、左邊墻30處、右邊墻26處；隧道襯砌強(qiáng)度不足共有12處，其中，拱頂位置5處、左右拱腰位置3處，左右邊墻4處。缺陷影響范圍較廣，危害較大。因此，需對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度及強(qiáng)度不足等缺陷進(jìn)行分析。

2 數(shù)值計(jì)算模型及工況

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，數(shù)值計(jì)算軟件采用ANSYS軟件。襯砌采用彈性梁?jiǎn)卧M，共計(jì)80個(gè)節(jié)點(diǎn)，地層對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用采用彈簧單元模擬，彈簧僅受壓，彈性反力系數(shù)根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《隧規(guī)》”)進(jìn)行取值，隧道結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

選取襯砌結(jié)構(gòu)拱頂(1)、拱肩(10)、拱墻(21)、拱腳(33)及仰拱(41)為代表點(diǎn)進(jìn)行分析，計(jì)算節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)分析節(jié)點(diǎn)

Ⅲa、Ⅳa及Ⅴa隧道襯砌結(jié)構(gòu)適用于深埋段，Ⅳb及Ⅴb隧道襯砌結(jié)構(gòu)適用于淺埋段，淺埋隧道埋深按最不利工況選取，土體計(jì)算寬高及襯砌承擔(dān)圍巖初始荷載比例如表2所示。

表2 計(jì)算斷面寬高及襯砌承擔(dān)荷載

根據(jù)《隧規(guī)》規(guī)定，在二次襯砌素混凝土結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度(即混凝土抗拉強(qiáng)度控制)，檢算安全系數(shù)應(yīng)≥3.6；二次襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度，檢算安全系數(shù)應(yīng)≥2.4。

2.2 計(jì)算工況

對(duì)隧道襯砌厚度及強(qiáng)度不足缺陷進(jìn)行分析，計(jì)算工況如表3、表4所示。

表3 襯砌厚度不足計(jì)算工況

表4 襯砌強(qiáng)度不足計(jì)算工況

3 隧道襯砌厚度不足影響

3.1 素混凝土襯砌厚度不足影響

Ⅲa及Ⅳa型襯砌結(jié)構(gòu)采用素混凝土，Ⅲa型襯砌一般適用于Ⅲ級(jí)圍巖，荷載按《隧規(guī)》“附錄D深埋隧道荷載計(jì)算方法”進(jìn)行計(jì)算。隧道襯砌拱頂和拱墻厚40 cm，仰拱厚45 cm，采用C30混凝土，在運(yùn)營(yíng)期間二襯承擔(dān)圍巖初始應(yīng)力荷載按30%計(jì)算[16]。圖4、圖5分別為Ⅲa型襯砌無(wú)缺陷及厚度折減系數(shù)0.5結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖。由于篇幅限制，不再列出Ⅳa型襯砌內(nèi)力圖。

圖4 Ⅲa型無(wú)缺陷襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

圖5 厚度折減系數(shù)0.5Ⅲa型襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

從圖4、圖5中可以看出，隨著拱頂、拱墻及拱腳襯砌厚度的削弱，拱腳與仰拱相接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6、圖7分別為Ⅲa和Ⅳa型襯砌初次出現(xiàn)不滿(mǎn)足《隧規(guī)》要求時(shí)厚度折減安全系數(shù)。從圖6、圖7可以看出，厚度襯砌折減系數(shù)為0.5，Ⅲa型襯砌拱腳安全系數(shù)為2.6<3.6(《隧規(guī)》要求值)；折減系數(shù)為0.6時(shí)，Ⅳa型襯砌拱腳安全系數(shù)為2.6<3.6。

圖6 Ⅲa型襯砌厚度折減系數(shù)0.55安全系數(shù)

圖7 Ⅳa型襯砌厚度折減系數(shù)0.6安全系數(shù)

圖8為素混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數(shù)變化曲線。從圖8可以看出，隨著襯砌厚度的減少，拱頂、拱肩及仰拱安全系數(shù)均遠(yuǎn)超規(guī)定值3.6，且數(shù)值波動(dòng)不大，而拱腳處在削減系數(shù)為1.0時(shí)，Ⅲa型襯砌拱腳安全系數(shù)值最大為16.8，Ⅳa型襯砌為10.5，隨著襯砌厚度的不斷減少，拱腳處安全系數(shù)不斷降低，當(dāng)襯砌厚度折減系數(shù)為0.6時(shí)，Ⅳa型襯砌拱腳處安全系數(shù)為2.6，當(dāng)襯砌厚度折減系數(shù)為0.5時(shí)，Ⅲa型襯砌拱腳處的安全系數(shù)為2.2，小于《隧規(guī)》規(guī)定值3.6。

圖8 素混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數(shù)變化曲線

3.2 鋼筋混凝土襯砌厚度不足影響

Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb型襯砌采用C35鋼筋混凝土，在運(yùn)營(yíng)期間二襯承擔(dān)圍巖初始應(yīng)力荷載分別按50%、70%及70%計(jì)算。圖9～圖11分別為Ⅳb、Ⅴa和Ⅴb型襯砌部分安全系數(shù)。

圖9 Ⅳb型襯砌厚度折減系數(shù)0.5安全系數(shù)

圖10 Ⅴa型襯砌厚度折減系數(shù)0.5安全系數(shù)

圖11 Ⅴb型襯砌厚度折減系數(shù)0.7安全系數(shù)

圖12為鋼筋混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數(shù)變化曲線。從圖9～圖12可以看出，隨著襯砌厚度的降低，襯砌安全系數(shù)不斷減少，襯砌拱腳位置首先超過(guò)限值。當(dāng)襯砌厚度折減系數(shù)為0.7時(shí)，Ⅴb型襯砌結(jié)構(gòu)拱腳處安全系數(shù)為2.3；折減系數(shù)為0.5時(shí)，Ⅳb型襯砌結(jié)構(gòu)拱腳處的安全系數(shù)為2.2，Ⅴa型襯砌結(jié)構(gòu)拱腳處安全系數(shù)為2.4，安全儲(chǔ)備較少，需對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖12 鋼筋混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數(shù)變化曲線

4 襯砌強(qiáng)度不足影響

4.1 素混凝土襯砌強(qiáng)度不足影響

襯砌強(qiáng)度折減在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)降低襯砌結(jié)構(gòu)彈性模量實(shí)現(xiàn)，圖13、圖14分別為Ⅲa、Ⅳa型襯砌部分安全系數(shù)。從圖13、圖14可以看出，襯砌折減厚度為0.5時(shí)，Ⅲa型襯砌各位置處安全系數(shù)均滿(mǎn)足《隧規(guī)》要求值(3.6)。襯砌折減厚度為0.6時(shí)，Ⅳa型襯砌拱頂安全系數(shù)(3.4)首先出現(xiàn)不安全狀態(tài)。

圖13 Ⅲa型襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)0.5安全系數(shù)

圖14 Ⅳa型襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)0.6安全系數(shù)

圖15為素混凝土襯砌強(qiáng)度不足拱頂安全系數(shù)變化曲線。從圖13～圖15可以看出，拱頂處安全系數(shù)較其他位置更小，且隨著強(qiáng)度的減弱，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也逐漸變小，當(dāng)襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)為0.6時(shí)，Ⅳa型襯砌拱頂安全系數(shù)為2.4，而Ⅲa型襯砌安全系數(shù)均在規(guī)范要求值3.6以上。

圖15 素混凝土襯砌強(qiáng)度不足拱頂安全系數(shù)變化曲線

4.2 鋼筋混凝土襯砌強(qiáng)度不足影響

Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb襯砌采用C35鋼筋混凝土，圖16～圖18分別為Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb型襯砌部分安全系數(shù)。

圖16 Ⅳb型襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)0.5安全系數(shù)

圖17 Ⅴa型襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)0.5安全系數(shù)

圖18 Ⅴb型襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)0.6安全系數(shù)

圖19為鋼筋混凝土襯砌強(qiáng)度不足拱頂安全系數(shù)變化曲線。從圖16～圖19可以看出，隨著襯砌強(qiáng)度的不斷削弱，隧道拱頂安全系數(shù)不斷減小，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為0.6時(shí)，Ⅴb型襯砌拱頂安全系數(shù)為2.4，拱肩及拱腳安全系數(shù)均為2.3，襯砌已處于不安全狀態(tài)。而其他類(lèi)型襯砌結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度折減系數(shù)為0.5時(shí)，襯砌的安全系數(shù)均大于2.4，滿(mǎn)足《隧規(guī)》要求。

圖19 鋼筋混凝土襯砌強(qiáng)度不足拱頂安全系數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

依托某鐵路隧道工程，采用數(shù)值模擬對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度和強(qiáng)度缺陷進(jìn)行分析，研究得到以下結(jié)論。

(1)隨著襯砌厚度的削弱，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不斷降低，隧道拱腳位置處安全系數(shù)首先不滿(mǎn)足《隧規(guī)》要求。

(2)圍巖越差，強(qiáng)度安全性對(duì)襯砌厚度的削弱越敏感。對(duì)于素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，當(dāng)折減系數(shù)為0.55時(shí)，Ⅲa型襯砌拱腳安全系數(shù)為2.6，處于不安全狀態(tài)；當(dāng)襯砌厚度折減系數(shù)為0.6時(shí)，Ⅳa型襯砌拱腳安全系數(shù)已不滿(mǎn)足《隧規(guī)》要求。對(duì)于鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，當(dāng)襯砌厚度折減系數(shù)為0.5時(shí)，Ⅳb型襯砌及Ⅴa型襯砌均需對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)措施；當(dāng)襯砌厚度折減系數(shù)為0.7時(shí)，Ⅴb型襯砌拱腳處于不安全狀態(tài)，需及時(shí)加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)。

(3)隨著襯砌強(qiáng)度的減弱，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不斷減少，隧道結(jié)構(gòu)拱頂最先處于不安全狀態(tài)。

(4)圍巖越差，強(qiáng)度安全性對(duì)襯砌強(qiáng)度的減弱越敏感。對(duì)于素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，當(dāng)襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)為0.55時(shí)，素混凝土Ⅳa襯砌拱頂安全系數(shù)為2.3，處于不安全狀態(tài)，需采取加強(qiáng)措施。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)襯砌強(qiáng)度折減系數(shù)為0.6時(shí)，鋼筋混凝土Ⅴb型襯砌拱肩及拱腳位置安全系數(shù)均小于2.4，拱頂安全系數(shù)為2.4，需進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。