基于故障樹的鐵路隧道襯砌脫空原因分析及應(yīng)對(duì)措施

王進(jìn)生

(中國(guó)鐵路總公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局成都監(jiān)督站,四川成都 610081)

在鐵路隧道工程建設(shè)中,受圍巖條件復(fù)雜、施工控制不嚴(yán)和混凝土材料收縮徐變等因素的影響,部分隧道襯砌脫空缺陷嚴(yán)重[1]。 已有許多學(xué)者對(duì)襯砌脫空的影響進(jìn)行了相關(guān)研究,楊小玉等對(duì)鐵路隧道襯砌混凝土背后脫空產(chǎn)生的原因進(jìn)行了綜合分析并提出相應(yīng)的預(yù)防及處治措施[26];蔣暉光等基于FLAC 軟件建立分析模型,探究在不同脫空位置、不同脫空程度情況下襯砌安全性的影響規(guī)律,并結(jié)合工程實(shí)際制定了整治方案[7]。 但是對(duì)于導(dǎo)致隧道二次襯砌脫空眾多因素之間結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究仍有不足。 以成貴客專工程某隧道為例,建立隧道襯砌脫空故障樹,以展現(xiàn)導(dǎo)致襯砌脫空各因素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系以及結(jié)構(gòu)重要度。

1 工程概況及脫空檢測(cè)

成貴客專工程某隧道出口端分別穿越灰?guī)r、頁(yè)巖、泥巖夾灰?guī)r等地層,圍巖等級(jí)為Ⅴ～Ⅲ級(jí),相應(yīng)的襯砌類型有Ⅴc 型、Ⅳb 型、Ⅳa 型、Ⅲb 型。 除Ⅴ級(jí)圍巖段采用C35 鋼筋混凝土外,其余均采用C30 混凝土;Ⅴ級(jí)圍巖段采用全環(huán)格柵鋼架,Ⅳb 型襯砌段初支采用拱墻格柵鋼架。 在完成所有襯砌施工5 個(gè)月后,采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道出口段的二次襯砌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),共計(jì)發(fā)現(xiàn)缺陷54 處。 其中,二襯背后脫空40 處,二襯背后不密實(shí)4 處,初支背后不密實(shí)3 處,二襯厚度不足7 處。

隧道襯砌完工7 個(gè)月后,對(duì)該段襯砌再次進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)襯砌有裂紋產(chǎn)生。 裂紋產(chǎn)生原因?yàn)?①該隧道與渝黔鐵路的另一隧道并行,兩隧道凈間距小,且軌面存在一定高差,導(dǎo)致中間夾巖產(chǎn)生應(yīng)力集中;②隧道內(nèi)二次襯砌脫空,使得襯砌受力不均勻,增大了其受拉破壞的可能性;③施工過(guò)程中受到多次擾動(dòng);④巖體產(chǎn)狀、層理、地形等多因素的組合,導(dǎo)致隧道襯砌側(cè)向壓力過(guò)大,并作用在曲率較小的邊墻部位,使邊墻部位產(chǎn)生縱向張性裂縫(紋)。

由此可見,二次襯砌脫空是導(dǎo)致隧道在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生多種形式病害的原因之一,為解決隧道襯砌脫空問(wèn)題,以下對(duì)隧道襯砌脫空原因進(jìn)行故障樹分析。

2 研究方法

2.1 故障樹分析法

故障樹分析法是將系統(tǒng)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事故或失效狀態(tài)作為故障樹的頂事件,將事故原因逐層分解(直到不能繼續(xù)分解),找出事故發(fā)生的基本原因。 利用專門表達(dá)邏輯關(guān)系的門符號(hào)、事件符號(hào)以及基本術(shù)語(yǔ)等,來(lái)表述系統(tǒng)各層事件之間的邏輯關(guān)系和因果關(guān)系,畫出故障樹圖。 根據(jù)故障樹圖求解事故發(fā)生的最小割集,即對(duì)事故進(jìn)行定性分析,找出事故發(fā)生的基本事件和因素。 結(jié)合最小割集,可以對(duì)系統(tǒng)事故進(jìn)行定量分析,得出頂事件發(fā)生的概率[8]。

故障樹分析包括以下幾個(gè)主要步驟:建立故障樹、故障樹的定性分析和定量分析。

2.2 最小割集

求解系統(tǒng)事故發(fā)生的最小割集是故障樹分析的核心,故障樹的定性分析和定量分析都是以系統(tǒng)事故發(fā)生的最小割集為基礎(chǔ)。 所謂最小割集,就是可以導(dǎo)致各頂事件發(fā)生的最小基本事件集合,最小割集包含的基本事件對(duì)導(dǎo)致頂事件的發(fā)生是充分必要的[9]。 求解最小割集的主要方法有下行法、上行法、質(zhì)數(shù)代入法、矩陣法和布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法。

2.3 結(jié)構(gòu)重要度

故障樹中的每一個(gè)基本事件對(duì)頂事件都會(huì)有一定的影響,但影響的程度不同。 為了解其影響程度,應(yīng)按照對(duì)頂事件影響大小,按從大到小的順序消除基本事件。 在工程實(shí)際中,各基本事件發(fā)生的概率很難確定,可在假設(shè)各基本事件發(fā)生概率相同的前提下,計(jì)算基本事件的結(jié)構(gòu)重要度,計(jì)算公式[10]為

式中:Iφ(i)為基本事件Xi的結(jié)構(gòu)重要度;k 為故障樹系統(tǒng)所含的最小割集的數(shù)量;為含有基本事件Xi的第j 個(gè)最小割集中所含基本事件的數(shù)量。

通過(guò)式(1),可得出各基本事件的相對(duì)結(jié)構(gòu)重要度,利用計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行排序,排序結(jié)果顯示各基本事件對(duì)頂事件影響程度的相對(duì)大小。

3 隧道襯砌脫空故障樹建立

3.1 故障樹建立

對(duì)成貴客專工程某隧道以及其他工程實(shí)例中隧道脫空的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并結(jié)合隧道襯砌結(jié)構(gòu),可將鐵路隧道襯砌脫空的成因分為三類:開挖及初期支護(hù)問(wèn)題、防水板鋪設(shè)問(wèn)題和二次襯砌混凝土工程問(wèn)題[11]。

(1)開挖及初期支護(hù)問(wèn)題

①爆破效果差;②超挖、欠挖情況比較突出;③噴漿支護(hù)過(guò)程存在噴漿不到位或是有意遮擋留下空洞,且未采取相應(yīng)措施補(bǔ)救。

(2)防水板鋪設(shè)問(wèn)題

①初期支護(hù)的表面不平順,導(dǎo)致防水板與初支表面貼合不緊密,形成空洞;②防水板固定點(diǎn)數(shù)量不足,混凝土澆筑過(guò)程中防水板脫落,引起上部防水板緊繃、下部防水板堆積,從而形成空洞;③防水板鋪設(shè)松弛度不足,局部緊繃,造成在防水板與初支面之間形成空腔;④防水板鋪設(shè)松弛度過(guò)大,形成褶皺,造成襯砌背后脫空[1213]。

(3)二次襯砌混凝土問(wèn)題

①移動(dòng)模板臺(tái)車底部支撐不牢靠,走行軌連接螺栓數(shù)量不足及軌道變形,引起臺(tái)車在澆筑時(shí)移位;②對(duì)臺(tái)車本身的變形檢查頻率不足,未及時(shí)校正;③臺(tái)車擋頭板封堵不嚴(yán)造成漏漿等;④混凝土施工前,未根據(jù)斷面測(cè)量結(jié)果預(yù)估實(shí)際施工所需的方量,拱部混凝土灌注量不足致使拱部局部形成脫空;⑤在襯砌拱頂混凝土澆筑過(guò)程中,未按要求做到逐孔、多孔澆筑,單孔“一灌到底”,部分混凝土附著在鋼筋上,使混凝土流動(dòng)性變差,極易造成拱頂出現(xiàn)空洞;⑥襯砌施工振搗不密實(shí);⑦襯砌拱部未設(shè)置排氣孔或預(yù)留排氣孔堵塞失效,導(dǎo)致混凝土無(wú)法充填飽滿,尤其在反坡施工時(shí),澆筑段與上循環(huán)之間會(huì)形成空氣囊而造成襯砌背后空洞;⑧施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土養(yǎng)護(hù)不到位,致使襯砌與圍巖或防水板間出現(xiàn)空隙,形成脫空[1415]。

針對(duì)導(dǎo)致隧道襯砌脫空的原因,以鐵路隧道襯砌脫空為頂事件,開挖及初期支護(hù)問(wèn)題、防水板鋪設(shè)問(wèn)題和二次襯砌混凝土工程問(wèn)題為三個(gè)中間事件,得到16 個(gè)基本事件,構(gòu)造的故障樹見圖1。 X1～X16表示故障樹中的16 個(gè)基本事件,其具體含義見表1。

圖1 鐵路隧道襯砌脫空的故障樹

表1 鐵路隧道襯砌脫空的基本事件及含義

3.2 最小割集劃分

針對(duì)故障樹模型,選用布爾代數(shù)法計(jì)算鐵路隧道襯砌脫空的最小割集。 按照布爾代數(shù)法,鐵路隧道襯砌脫空的頂事件的表達(dá)式為

式中:A1為開挖初支問(wèn)題;A2為防水板問(wèn)題;A3為混凝土工程問(wèn)題。

將式(3)、式(4)、式(5)代入式(2)中,得

則鐵路隧道襯砌脫空的最小割集分別為

3.3 結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

根據(jù)式(1)以及上述最小割集劃分情況,可計(jì)算出故障樹中各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度,見表2。

由表2 可知,基本事件X16(即施工管理不嚴(yán))對(duì)頂事件鐵路隧道襯砌脫空的影響程度最大,X4～X15其次,X1～X3對(duì)頂事件影響程度最小。

表2 各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度

4 應(yīng)對(duì)措施及建議

通過(guò)故障樹分析可知,影響鐵路隧道襯砌脫空的主要因素是施工管理不嚴(yán),其次是模板作業(yè)、混凝土作業(yè)以及養(yǎng)護(hù)作業(yè)過(guò)程中的混凝土工程問(wèn)題。 因此,為了減少襯砌脫空事故的發(fā)生,除了要加強(qiáng)混凝土施工過(guò)程控制外,更需要重視施工管理,及時(shí)消除危險(xiǎn)因素。 根據(jù)襯砌脫空故障樹結(jié)構(gòu)重要度分析結(jié)果,提出以下防治措施與建議。

4.1 加強(qiáng)施工管理

加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理人員的教育培訓(xùn)工作,提高其質(zhì)量意識(shí)和責(zé)任心。 通過(guò)開展培訓(xùn),使每一位管理人員牢固掌握隧道開挖、初期支護(hù)、防水板安裝以及混凝土施工過(guò)程中的各項(xiàng)工藝要求和關(guān)鍵環(huán)節(jié)監(jiān)控要點(diǎn),提高管理人員的技術(shù)水平。

加強(qiáng)施工技術(shù)交底工作。 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理人員要對(duì)施工班組進(jìn)行詳細(xì)交底,確保各項(xiàng)工藝要求傳達(dá)到每一位作業(yè)人員手中。

加強(qiáng)施工準(zhǔn)備工作,對(duì)原材料儲(chǔ)備、混凝土的供應(yīng)、人員設(shè)備到位等各環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真檢查核實(shí),確保混凝土澆筑施工的連續(xù)性。

加強(qiáng)施工過(guò)程中的組織管理。 施工管理人員和監(jiān)理旁站人員必須嚴(yán)格盯控隧道施工,及時(shí)糾正和處理施工作業(yè)中的不規(guī)范行為。

加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)。 在襯砌施工200 m 后即安排雷達(dá)檢測(cè),檢測(cè)時(shí)以拱頂、仰拱為重點(diǎn),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)增加測(cè)線,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施。

加強(qiáng)施工質(zhì)量驗(yàn)收檢查工作,嚴(yán)格遵循上道工序驗(yàn)收不合格不得進(jìn)行下道工序施工的原則。

4.2 加強(qiáng)混凝土工程質(zhì)量控制

采用數(shù)控襯砌臺(tái)車施工,并做好日常設(shè)備保養(yǎng)工作。 依據(jù)襯砌施工作業(yè)要求施作模板臺(tái)車,嚴(yán)格檢查模板加固支撐體系,并采取相應(yīng)措施防止臺(tái)車走位。同時(shí),在模板臺(tái)車端面上貼反光輪廓標(biāo),警示運(yùn)輸車輛,避免撞擊造成臺(tái)車移位。

精確計(jì)算混凝土澆筑數(shù)量,配備足夠的混凝土運(yùn)輸車輛,防止因混凝土供應(yīng)不及時(shí)或等待澆筑時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響混凝土性能。

嚴(yán)格按照襯砌施工作業(yè)要求進(jìn)行混凝土澆筑,嚴(yán)控澆筑順序。 進(jìn)行拱頂施工時(shí),澆筑孔應(yīng)從低到高依次逐孔作業(yè),避免拱頂位置低的窗口被混凝土蓋滿而影響拱頂施工質(zhì)量。 嚴(yán)格控制拱頂混凝土的澆筑時(shí)間,確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成施工作業(yè)。 同時(shí)安排經(jīng)驗(yàn)豐富、責(zé)任心強(qiáng)的人員觀察襯砌堵頭處和觀察孔的流漿情況,確保拱部混凝土填充飽滿。

采用縱向預(yù)留管道和徑向注漿管道法杜絕注漿脫空。 當(dāng)進(jìn)行襯砌防水板施工時(shí),在襯砌拱頂中央位置安裝注漿管與排氣管(φ30PVC,長(zhǎng)度為襯砌長(zhǎng)度+200 mm)。 注漿管上布設(shè)溢漿孔,孔徑為6 ～8 mm,間距為15 ～20 cm,梅花形布置,外露段與注漿機(jī)連接。排氣管按照排氣要求安設(shè)于注漿管側(cè)面。

采用φ28 鋼管臺(tái)車將防水板直接頂?shù)匠踔П砻?并用法蘭盤絲扣固定。 拆除襯砌臺(tái)車前,且孔口封堵材料達(dá)到一定強(qiáng)度后,對(duì)襯砌拱頂按先縱向再?gòu)较虻捻樞蜻M(jìn)行注漿,注漿壓力控制在0.5 ～1.0 MPa 之間。注漿材料采用微膨脹水泥砂漿或水泥漿,機(jī)械拌制,稠度控制在14 ～18 s 之間。 注漿壓力達(dá)到0.5 ～1.0 MPa 或排氣管出漿時(shí)即可終止注漿。

嚴(yán)格執(zhí)行混凝土振搗工藝標(biāo)準(zhǔn),及時(shí)開啟振搗設(shè)備,確?；炷琳駬v到位。 可在拱頂加設(shè)徑向插入式振搗器加強(qiáng)振搗,并根據(jù)施工情況,分區(qū)控制附著式振搗器工作。

4.3 加強(qiáng)防水系統(tǒng)質(zhì)量控制

防水板鋪設(shè)應(yīng)松緊適度,并嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求布置固定點(diǎn)間距。 防水板搭接長(zhǎng)度、焊縫及固定點(diǎn)焊接均需嚴(yán)格按防水板施工作業(yè)要求進(jìn)行施工。

初期支護(hù)施工時(shí)應(yīng)設(shè)置噴射混凝土厚度控制標(biāo)識(shí),嚴(yán)格控制噴射混凝土厚度和表面平整度。 可采用方鏟等小型工具修整初支輪廓,使初期支護(hù)混凝土表面平整、平順,消除“排肋狀”現(xiàn)象,保證初支施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)和驗(yàn)標(biāo)要求。

4.4 加強(qiáng)隧道開挖與初期支護(hù)質(zhì)量控制

使用三臂鑿巖臺(tái)車開挖鉆孔,依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,以保證開挖輪廓平順光滑。

采用控制爆破施工時(shí),應(yīng)嚴(yán)格按照鉆爆設(shè)計(jì)并根據(jù)實(shí)際圍巖情況,做好鉆爆方案及現(xiàn)場(chǎng)工藝優(yōu)化,保證開挖斷面施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)和驗(yàn)標(biāo)要求。

及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù),減少超挖、欠挖現(xiàn)象。 可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn),反復(fù)提煉參數(shù)值。

提高噴漿工藝水平,對(duì)超挖部位采取網(wǎng)噴混凝土先行支護(hù),待消除空洞后再按順序進(jìn)行初支噴射混凝土施工。

5 結(jié)束語(yǔ)

以成貴客專工程某隧道為例,利用故障樹分析法建立施工期鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的故障樹風(fēng)險(xiǎn)分析模型,以此對(duì)造成鐵路隧道襯砌脫空的原因進(jìn)行定性分析。 研究表明,隧道開挖及初期支護(hù)問(wèn)題、防水板鋪設(shè)問(wèn)題和二次襯砌混凝土工程問(wèn)題是造成隧道襯砌脫空的三類主要問(wèn)題。 在定性分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)最小割集的劃分以及結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算,得出造成隧道襯砌脫空的關(guān)鍵致災(zāi)基本事件為施工管理不嚴(yán),而爆破效果差、未及時(shí)調(diào)整參數(shù)、噴漿不到位對(duì)襯砌脫空的影響程度最小。