隧道二次襯砌裂損成因分析與評(píng)估

舒中文，馬 悅

(1．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030;2．西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隧道二次襯砌裂損成因分析與評(píng)估

舒中文1，馬 悅2

(1．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030;2．西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

對(duì)石壁橋隧道二次襯砌裂損狀況進(jìn)行了全面的調(diào)查，綜合工程地質(zhì)條件、施工等因素，定性分析了襯砌裂損成因，初步推測(cè)隧道二次襯砌裂損與圍巖下部基座軟弱有關(guān)，并進(jìn)一步采用二維彈塑性有限元分析方法對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估。文章從理論及數(shù)值分析上解釋了該隧道襯砌裂損產(chǎn)生的機(jī)理，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合。

隧道 襯砌裂損 成因 數(shù)值模擬 評(píng)估

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，鐵路隧道通車?yán)锍碳眲≡鲩L(zhǎng)，但由于工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)及維修管理等方面的原因，隧道病害問(wèn)題日益突出［1-5］。而襯砌裂損是其中最普遍且對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)影響最大的病害，襯砌開(kāi)裂破壞隧道結(jié)構(gòu)的整體性，降低襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，也為其他病害的發(fā)生和發(fā)展提供了先決條件。初砌裂損會(huì)縮短鐵路隧道的使用壽命，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

本文結(jié)合既有線石壁橋隧道運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)的二次襯砌裂損問(wèn)題，通過(guò)詳細(xì)調(diào)繪和無(wú)損檢測(cè)以及定性、定量分析，對(duì)致裂原因進(jìn)行研究，為同類隧道襯砌裂損的分析評(píng)估、病害治理提供參考和支持。

1 工程概況

該隧道全長(zhǎng)837 m，隧道進(jìn)口里程DK14+440，出口里程DK15+288，最大埋深約62.8 m。隧道位于直線段上，縱坡3‰。區(qū)域地面高程1 090～1 150 m，相對(duì)高差60 m，地形起伏較大。區(qū)域大地構(gòu)造單元屬山西臺(tái)背斜，為北東向單斜構(gòu)造，隧址處地層為寒武系中統(tǒng)石灰?guī)r、寒武系下統(tǒng)泥巖。區(qū)域?yàn)榈湫偷陌敫珊荡箨懶詺夂?，降雨稀少，多年平均降雨?10 mm，年蒸發(fā)量2 577.2 mm，為降水量的6.3倍，干旱年份可達(dá)14倍。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，動(dòng)峰值加速度0.15g，設(shè)防烈度為Ⅵ度。

2 襯砌裂損特征及評(píng)定

2.1 襯砌裂損特征

據(jù)隧道二次襯砌開(kāi)裂調(diào)查結(jié)果，本文按走向?qū)⑵浞譃榭v向裂縫、環(huán)向裂縫和斜向裂縫3種［6］，裂縫多分布在隧道出口段和中段。

1)縱向裂縫:基本分布在邊墻中下部，延伸長(zhǎng)0.5～5.0 m，局部長(zhǎng)達(dá)14 m，裂縫發(fā)育寬度1～5 mm，共43處，占裂縫總數(shù)的38%。走向與隧道軸線基本平行，其危害性最大。

2)環(huán)向裂縫:多自邊墻中下部延伸至拱腳，少數(shù)沿著施工縫發(fā)育的橫向裂縫橫跨拱頂和邊墻，共42處，占裂縫總數(shù)的37%。走向與隧道軸線垂直，危害性較小。

3)斜向裂縫也有一定發(fā)育，多伴隨縱向、橫向裂縫，形成樹(shù)枝狀裂縫，共28處，占裂縫總數(shù)的25%。一般和隧道縱軸呈30°～45°夾角，其危害性僅次于縱向裂縫。

2.2 隧道襯砌裂縫評(píng)定

目前隧道襯砌裂縫評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)有定性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)、定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及定性和定量相結(jié)合的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于鐵路隧道，目前只有定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及定性和定量相結(jié)合的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［6-7］，評(píng)定依據(jù)為裂縫長(zhǎng)度與寬度。

綜合上述評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)隧道裂縫等級(jí)的劃分方法，本隧道裂縫評(píng)定情況詳見(jiàn)表1。本隧道裂損等級(jí)主要為B類，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，視襯砌裂損發(fā)展情況，必要時(shí)采取措施。

3 襯砌裂損成因的定性分析

3.1 地層結(jié)構(gòu)因素分析

該隧道圍巖為典型的二元結(jié)構(gòu):上部以厚層灰?guī)r為主，局部為薄層灰?guī)r和泥巖互層，巖質(zhì)堅(jiān)硬;下部為紫紅色泥巖夾砂巖，巖質(zhì)較軟，局部可見(jiàn)薄層灰?guī)r，未見(jiàn)層底。

表1 石壁橋隧道裂損情況評(píng)定

隧道襯砌與下伏砂、泥巖共同承擔(dān)上覆灰?guī)r的荷載。由于襯砌與砂、泥巖在強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)差異較大，導(dǎo)致二者受力變形不協(xié)調(diào)。在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于泥巖的低滲透性，降雨期雨水在此受到阻礙滯留，泥巖受滯水浸泡軟化，導(dǎo)致強(qiáng)度大幅降低，襯砌所承擔(dān)的荷載進(jìn)一步加大，導(dǎo)致襯砌所受應(yīng)力超出其承載極限而發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫。同時(shí)由于在巖層分界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)一步加重了襯砌的破壞速度。

考慮到軟弱基座的特殊工程性質(zhì)，推測(cè)隧道襯砌裂損與此軟弱基座有關(guān)。

3.2 地下水因素分析

該隧道上覆灰?guī)r，垂向裂隙極其發(fā)育，貫通性較好，水平方向裂隙較少且連通性差，影響了含水層的發(fā)育及相互間的水力聯(lián)系。

區(qū)域地下水儲(chǔ)量微小，補(bǔ)給量小，流通條件差，故地下水的動(dòng)靜壓作用對(duì)隧道襯砌的影響可以忽略。

3.3 施工因素分析

該隧道施工完成后，針對(duì)隧道襯砌厚度及強(qiáng)度、背后脫空及不密實(shí)、襯砌鋼筋及鋼拱架分布等情況進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，施工方完全按照設(shè)計(jì)要求施工，質(zhì)量良好。

4 襯砌裂損數(shù)值模擬分析

4.1 隧道模型

根據(jù)上述成因理論分析表明，軟弱基座的存在可能是導(dǎo)致隧道產(chǎn)生裂縫的主要原因。本次有限元模擬采用MIDAS/GTS軟件，以隧道出口段為例，進(jìn)行無(wú)軟弱基座(M1)與有軟弱基座(M2)兩種工況的模擬。對(duì)比二者模擬結(jié)果，確定軟弱基座的存在是否是產(chǎn)生裂縫的主要原因。同時(shí)進(jìn)行圍巖軟化工況下的模擬(M3)，以分析后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，泥巖遇水軟化后，隧道襯砌的變形與安全性。

根據(jù)隧道尺寸、支護(hù)參數(shù)和地層情況，建立二維平面模型，二次襯砌單元模型及編號(hào)如圖1所示。模型上部埋深取25 m;隧道兩側(cè)邊界取為洞跨的3倍，即為30 m，垂直向下取45 m。模型邊界條件:左右邊界為水平方向約束，底邊界為全約束，重力加速度取10 m/s2。

圖1 二次襯砌單元模型及編號(hào)

4.2 計(jì)算參數(shù)

隧道圍巖為二維平面單元，本構(gòu)模型為 Mohr-Coulomb模型;混凝土和錨桿采用線單元，本構(gòu)模型為線彈性模型。計(jì)算中采用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)模型內(nèi)力分析

通過(guò)模擬分析，對(duì)于無(wú)軟弱基座工況(M1)，襯砌軸力最大值(583 kN)，分布在邊墻中上部，最小值(111 kN)位于仰拱中部。當(dāng)隧道圍巖出現(xiàn)軟弱層(M2)時(shí)，襯砌軸力進(jìn)行了重分布:襯砌軸力明顯增大，仰拱部位軸力相對(duì)增大，拱頂部位軸力相對(duì)減小，襯砌軸力最大值(1 100 kN)、最小值(378 kN)均出現(xiàn)在邊墻中下部。當(dāng)砂泥巖層軟化，強(qiáng)度降低后，這種重分布現(xiàn)象更為顯著。

對(duì)于無(wú)軟弱基座工況(M1)，襯砌的最大正、負(fù)彎矩(正彎矩7.51 kN·m;負(fù)彎矩 －22.1 kN·m)均發(fā)生在邊墻中下部。當(dāng)隧道圍巖出現(xiàn)軟弱層(M2)時(shí)，襯砌彎矩明顯增大，襯砌單元彎矩最大值(72.5 kN·m)、最小值(－47.1 kN·m)發(fā)生在邊墻中部，位置相對(duì)上移。當(dāng)砂泥巖層軟化，強(qiáng)度降低后，這種重分布現(xiàn)象更為顯著。

2)襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算

為分析巖體參數(shù)對(duì)其安全性的影響，根據(jù)上述內(nèi)力結(jié)果計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，對(duì)襯砌的安全性能進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)［8］隧道和明洞按破損階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下選用安全系數(shù)的規(guī)定:受抗壓極限強(qiáng)度控制時(shí)，安全系數(shù)取為2.4;受抗拉極限強(qiáng)度控制時(shí)，安全系數(shù)取為3.6。

當(dāng)由抗壓強(qiáng)度控制承載能力時(shí)，即e＜0.2h時(shí)

當(dāng)由抗拉強(qiáng)度控制承載能力時(shí)，即e＞0.2h時(shí)

式中:K為安全系數(shù);N為軸向力;φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，隧道襯砌取1.0;R1為混凝土的抗拉極限強(qiáng)度;Ra為混凝土極限抗壓強(qiáng)度;a為軸向力的偏心影響系數(shù);b為截面的寬度;h為截面的厚度;e0為截面偏心距。

采用以上公式，對(duì)隧道襯砌單元的安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)了三組模型的安全系數(shù)，并給出了超限單元位置示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 超限單元位置示意

根據(jù)隧道襯砌單元計(jì)算結(jié)果，隧道圍巖在不考慮軟弱基座時(shí)，襯砌單元受抗壓強(qiáng)度控制，安全系數(shù)遠(yuǎn)大于2.4，不會(huì)出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。當(dāng)考慮軟弱基座時(shí)，在軟硬巖體接觸面下方，部分襯砌單元的強(qiáng)度由抗拉強(qiáng)度控制，其平均安全系數(shù)為1.36，襯砌表面會(huì)出現(xiàn)裂縫，但裂縫尚未貫通，裂縫產(chǎn)生區(qū)域位于軟硬巖體接觸面以下。當(dāng)下伏軟弱巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步降低時(shí)，接觸面周邊襯砌單元超限情況增多，襯砌裂損區(qū)域加大，其平均安全系數(shù)為1.95，甚至少量襯砌單元安全系數(shù)＜1，逐漸產(chǎn)生貫通性裂縫，可能導(dǎo)致襯砌發(fā)生破壞。

5 結(jié)論

1)該隧道圍巖為典型的二元結(jié)構(gòu)，通過(guò)定性及定量計(jì)算表明:隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地下水及施工等因素對(duì)隧道襯砌裂損影響較小;圍巖體二元結(jié)構(gòu)的軟弱基座是隧道襯砌裂損的主導(dǎo)因素。

2)目前情況下，襯砌裂損屬混凝土達(dá)到臨界強(qiáng)度后產(chǎn)生裂縫，裂縫局限于襯砌表面，襯砌裂損等級(jí)屬于B級(jí)，隧道可以投入使用。然而在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，受外力因素影響，圍巖強(qiáng)度降低，可能會(huì)導(dǎo)致襯砌裂損進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)而破壞。

3)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道襯砌裂縫及變形的監(jiān)控，掌握隧道變形趨勢(shì)，為后續(xù)治理工程設(shè)計(jì)或施工提供依據(jù)。

4)用有限元數(shù)值方法對(duì)隧道襯砌進(jìn)行模擬能較真實(shí)地反映隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況，可用于對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行評(píng)估。

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［8］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

(責(zé)任審編 趙其文)

U455.91

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．22

2015-02-04;

:2015-06-18

舒中文(1984— )，男，湖北荊門(mén)人，工程師，碩士。

1003-1995(2015)08-0073-03