隧道二襯結(jié)構(gòu)安全性評估及改進(jìn)方案

田岳松

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

1 概述

隧道工程在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用，隧道二襯結(jié)構(gòu)既承擔(dān)隧道荷載，又起到裝飾作用，正可謂內(nèi)實外華。二襯結(jié)構(gòu)檢測是隧道施工驗收的重要內(nèi)容，是確保隧道安全運營的重要保障。

隧道二襯結(jié)構(gòu)安全性檢測多使用地質(zhì)雷達(dá)。地質(zhì)雷達(dá)通過高頻電磁波進(jìn)行掃描，當(dāng)電磁波遇到不均勻介質(zhì)時，其反射系數(shù)會發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到識別目標(biāo)物的目的。然而，地質(zhì)雷達(dá)檢測僅能探測出二襯結(jié)構(gòu)是否密實，或有無鋼筋缺失，難以查明結(jié)構(gòu)受力情況。

一些專家對隧道二襯結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行相關(guān)研究，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。崔蓬勃等針對膨脹力對運營期間隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行研究[1]；余永康等應(yīng)用數(shù)值模擬方法對隧道二襯作用效應(yīng)及分擔(dān)比進(jìn)行研究[2-3]；胡慶龍等研究隧道襯砌缺陷問題，并提出鋼筋混凝土套襯整治方案[4]；常偉學(xué)等研究隧道二襯施工鋼筋間距問題[5-6]；李忠凱等在管棚的設(shè)計與施工方法、管棚支護(hù)的力學(xué)機理、實際工程數(shù)值模擬等方面做了大量研究[7-9]；李崇威等總結(jié)了二次襯砌的機械配置在二次混凝土澆筑過程中的作用以及施工中的關(guān)鍵技術(shù)[10-11]；王吉成研究高鐵隧道二襯頂拱帶模注漿孔的布置、注漿要求、注漿材料性能等[12]；尹承紅等結(jié)合大瑞鐵路隧道二襯拱頂防脫空施工技術(shù)，介紹了隧道二襯拱頂防脫空施工工藝及方法，總結(jié)了施工經(jīng)驗[13]；劉振青等研究了高性能混凝土在隧道二襯結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[14]；譚賢君等對寒區(qū)隧道二襯混凝土冬季施工溫控技術(shù)進(jìn)行研究，為類似工程安全、快速實施提供借鑒[15]。

以上學(xué)者主要針對于不同環(huán)向鋼筋間距、二襯頂部脫空、二襯內(nèi)單層鋼筋條件下二襯結(jié)構(gòu)的安全性問題進(jìn)行研究，但是其并未涉及較長段隧道二襯鋼筋全部缺失情況，以下采用ANSYS建模對二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，綜合考慮鋼筋缺失情況、圍巖類型、隧道埋深、拱墻厚度等因素，得出隧道斷面各部分的軸力圖、彎矩圖，再運用破損階段法計算出各部分的抗拉抗壓安全系數(shù)，從而判斷出隧道二襯是否安全。

2 工程概況

2.1 隧道概況

石家莊某隧道直線段處為Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，該地段為單斜構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，給施工帶來較大難度。采用鋼格柵φ6.5@150 mm鋼筋網(wǎng)片及C25網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行初期支護(hù)，豎井鋼格柵四角設(shè)置I22a工字鋼斜撐進(jìn)行加強，二襯采用C35模筑混凝土。隧道狀況如圖1。

圖1 某隧道直線段狀況

2.2 地質(zhì)概況

石家莊地區(qū)屬于華北地塊一級大地構(gòu)造單元，為相對穩(wěn)定地塊。隧道采用暗挖及明挖兩種方式開挖，全長約5 495.7 m，未見地下水。其中，DK26+039～DK26+500段處于安山巖地層，為Ⅳ級圍巖，淺灰色，弱風(fēng)化，巖體較完整，呈塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。存在二襯缺陷的段落有3段，也處于安山巖地層，分別為:DK28+400～DK30+560、DK30+698～DK31+000、DK45+035～DK45+055，均為Ⅴ級圍巖，灰紫色、灰綠色，強風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈破碎狀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)荷載計算

3.1 評估依據(jù)

基于破損階段法理論，以二襯結(jié)構(gòu)破壞時受力情況為根據(jù)，綜合考慮材料的塑性性能并引入抗拉抗壓安全系數(shù)，依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，礦山法隧道應(yīng)采用曲墻式襯砌，并宜采用復(fù)合式襯砌。計算復(fù)合式襯砌時，初期支護(hù)應(yīng)按主要承載結(jié)構(gòu)計算，二次襯砌在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖情況下，宜按承載結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2 計算公式

(1)隧道深淺埋的劃分

劃分隧道深埋與淺埋時，有

（3）如果容量為1MW及其以上的發(fā)電機定子繞組和引出線出現(xiàn)短路，需要裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。其保護(hù)配置作為發(fā)電機內(nèi)部短路的主要保護(hù)，能及時、靈敏地切除內(nèi)部所發(fā)生的故障，確保動作的選擇性與工作的安全性。

Hp=(2～2.5)hq

(1)

(2)

式中：Hp為淺埋隧道分界深度；hq為荷載等效高度；q為深埋隧道垂直壓力；γ為圍巖容重。

令Hp取最大值，經(jīng)計算，4段隧道Hp分別為7.095 m、15.323 m、15.323 m、9.903 m，而此4段隧道實際埋深均超20 m，故判別為深埋隧道。

(2)深埋圍巖壓力計算

圍巖垂直均布壓力為

q=γh=0.45×2s-1ωγ

(3)

式中，s為圍巖級別；ω為寬度影響系數(shù)；B為隧道最大開挖跨度，應(yīng)考慮超挖影響。

隧道二襯荷載承載能力有一定范圍，A段(DK26+039～DK26+500)無結(jié)構(gòu)缺陷，二襯荷載分擔(dān)比例取最大值；其余3段存在鋼筋缺失，二襯荷載分擔(dān)比例取最小值(見表1、表2)。

表1 圍巖水平均布壓力

表2 二襯再分配比例系數(shù)及垂直水平荷載

①偏心受壓結(jié)構(gòu)抗壓強度為

K1N≤φαRabh

(4)

式中：Ra為混凝土抗壓極限強度；K1為抗壓安全系數(shù)；b為截面的寬度；h為截面厚度；α為軸向力偏心影響系數(shù)。

②偏心受壓結(jié)構(gòu)抗拉強度為

(5)

式中：Rl為混凝土的抗拉極限強度；e0為截面偏心距；K2為抗拉安全系數(shù)。

4 二襯鋼筋缺失結(jié)構(gòu)安全性評估

4.1 參數(shù)選取和模型建立

通過無破損檢測，表明隧道正洞DK26+039～DK26+500段鋼筋信號正常，DK28+400～DK300+560、DK30+698～DK31+000和DK45+035～DK45+055段拱頂無明顯鋼筋信號，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3～表5?；谒淼腊踩紤]，對上述4段二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析。

表3 各里程段襯砌設(shè)計參數(shù)

表4 圍巖物理力學(xué)計算參數(shù)

表5 C35混凝土物理力學(xué)計算參數(shù)

應(yīng)用AutoCAD軟件，按照相應(yīng)尺寸取點k1～k40連線模擬隧道斷面，再導(dǎo)入ANSYS軟件。Beam3為對稱單元，等截面二襯采用Beam3單元，非對稱截面采用Beam54單元；二襯選用C35參數(shù)；根據(jù)圍巖級別不同選用對應(yīng)的地層彈性約束(彈性模量、泊松比)。根據(jù)二襯截面具體受力狀況加載，進(jìn)行后處理得出彎矩、軸力(如圖3)及具體數(shù)值(見表6～表8)。進(jìn)一步計算出抗壓抗拉安全系數(shù)，與抗壓強度規(guī)范安全系數(shù)2.4、抗拉強度規(guī)范安全系數(shù)3.6進(jìn)行比較，得出結(jié)構(gòu)安全評估結(jié)論。

表6 DK26+039～DK26+500段結(jié)構(gòu)安全性計算結(jié)果

表7 DK28+400～DK300+560段結(jié)構(gòu)安全性計算結(jié)果

表8 二襯結(jié)構(gòu)安全性評估結(jié)果

圖2 二次襯砌內(nèi)力計算結(jié)果

4.2 二襯結(jié)構(gòu)安全性評估

無缺陷段DK26+039～DK26+500具體建模及計算過程如圖3所示。

圖3 Ⅳb型復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計( 單位：cm)

根據(jù)上述彎矩值、軸力值求偏心距，有

e0=M/N

(6)

①e0/h>0.2時，屬于抗拉控制，有

Nu=min(1×a×Ra×b×h/1 000(1×1.75×R1×h×b)/(6×e0/h-1)/1 000)；抗拉安全系數(shù)=Nu/N>3.6，滿足要求。

②e0/h<0.2時，屬于抗壓控制，有

抗壓安全系數(shù)=Nu/N>2.4，滿足要求。

5 改進(jìn)方案

鋼筋缺失會對隧道結(jié)構(gòu)安全造成較大威脅。由表7可知，DK28+400～DK300+560段鋼筋缺失，抗拉安全系數(shù)不滿足需求，存在極大安全隱患，必須進(jìn)行安全改造。對于較長段隧道二襯鋼筋缺失情況，可以鑿除二襯，確保伸出鋼筋搭接長度合格，消除松散的混凝土，清理開鑿面使其干凈整潔并做鑿毛處理，然后完成排水系統(tǒng)的修補，最后澆筑混凝土。經(jīng)過二次驗收，各段隧道均已滿足結(jié)構(gòu)安全驗收標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)論

通過ANSYS有限元分析，運用破損階段法計算得出的各段隧道數(shù)據(jù)結(jié)果與第三方地質(zhì)雷達(dá)無損檢測結(jié)果相符，該評估方案相較其他方案，能更直觀展現(xiàn)出二襯結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；引入安全系數(shù)較其他復(fù)核方案更準(zhǔn)確地分析二襯結(jié)構(gòu)的安全性。全斷面鋼筋在承載力極限范圍內(nèi)，均正常工作。拱部鋼筋缺失造成二襯結(jié)構(gòu)不能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，抗拉控制安全系數(shù)降低均超過70%，承載力不能滿足隧道二襯承載力要求。必須做好包括鑿除二襯、添加鋼筋等的補強措施以保證二襯結(jié)構(gòu)安全。