關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)的安全推演及壽命預(yù)測(cè)

謝立廣，楊 群

(1. 四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130；2. 成都師范學(xué)院，四川 成都 611130)

0 引言

準(zhǔn)確地掌握結(jié)構(gòu)變異與安全的關(guān)系，科學(xué)地評(píng)定隧道的剩余壽命，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，已成為各國(guó)地下工程領(lǐng)域的重要課題。日本從20世紀(jì)80年代起，在鐵路隧道、水工隧道中引入了健全度概念，對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，獲得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展；美國(guó)則以結(jié)構(gòu)損傷度的概念進(jìn)行結(jié)構(gòu)物損傷的評(píng)估方法的研究，也取得了一定的進(jìn)展[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也逐漸重視隧道壽命預(yù)測(cè)課題并著手相關(guān)研究，孫富學(xué)[2]提出了以裂縫限值和承載力分別作為衡量隧道結(jié)構(gòu)壽命終結(jié)標(biāo)準(zhǔn),并分別對(duì)不同準(zhǔn)則下結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)比較確定襯砌結(jié)構(gòu)最終壽命的方法；楊艷青[3]建立的運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)剩余壽命評(píng)估模型，以襯砌混凝土強(qiáng)度為可變參數(shù)，結(jié)合隧道襯砌結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀況計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并以三截面破壞作為襯砌結(jié)構(gòu)剩余壽命終結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)；薛振年[4]建立了一種基于荷載結(jié)構(gòu)法的在役公路隧道剩余壽命評(píng)估模型，分析了在役公路隧道常見(jiàn)病害及其對(duì)剩余壽命評(píng)估模型基本參數(shù)的影響；劉恒[5]結(jié)合特定隧道所處的地下環(huán)境，按裂縫限值準(zhǔn)則和承載力限值準(zhǔn)則進(jìn)行隧道壽命預(yù)測(cè)；王海彥[6]針對(duì)我國(guó)西南山區(qū)隧道常見(jiàn)硫酸鹽侵蝕環(huán)境，建立了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的耐久壽命預(yù)測(cè)模型，并對(duì)各種膠凝材配方混凝土的耐久壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。劉強(qiáng)[7]針對(duì)臨海隧道所處的碳化環(huán)境和硫酸鹽侵蝕環(huán)境，進(jìn)行了相關(guān)耐久性試驗(yàn)，研究得出了混凝土滲水高度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗壓強(qiáng)度等規(guī)律，并對(duì)特定隧道的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用壽命分析。總體而言，目前的研究大致可以分為兩類(lèi)；一類(lèi)是材料耐久性研究，它基于特定的隧道服役環(huán)境，專(zhuān)注于鋼筋混凝土材料的耐久性，而未考慮隧道結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)，視構(gòu)件壽命為隧道壽命，或相對(duì)保守；另一類(lèi)是結(jié)構(gòu)安全性研究，它根據(jù)設(shè)定的隧道病害發(fā)展或材料劣化歷程，求解結(jié)構(gòu)受力和安全性的變化，但未考慮因果轉(zhuǎn)換，也值得商榷。實(shí)際上，材料劣化、環(huán)境惡化與結(jié)構(gòu)受力之間或彼此影響，共同主宰了隧道全壽命周期的演變歷程，故本研究嘗試結(jié)合前述兩類(lèi)研究并考慮各種因素的相互作用，重在反映隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力演變和安全性演變，可為完善相關(guān)研究提供新的思路。

本研究的主要內(nèi)容有兩項(xiàng)：一為鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件的安全性演變；二為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全性演變。前者基于目前鋼筋混凝土材料耐久性的研究成果，分析了材料劣化過(guò)程對(duì)偏壓構(gòu)件安全性演變的影響規(guī)律；后者在前者基礎(chǔ)上，建立了隧道結(jié)構(gòu)體系受力演變模型，分析了材料劣化及病害發(fā)展過(guò)程等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全性演變的影響規(guī)律。

1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性演變

1.1 安全性的判斷標(biāo)準(zhǔn)

如何界定隧道壽命終結(jié)或進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；孫富學(xué)[2]認(rèn)為，只要結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不小于規(guī)范規(guī)定值，從技術(shù)角度而言，結(jié)構(gòu)就是安全的，即滿足安全耐久性要求的。因此，界定結(jié)構(gòu)安全系數(shù)等于規(guī)范規(guī)定值為安全承載壽命準(zhǔn)則的極限狀態(tài)。楊艷青[3]假定，襯砌結(jié)構(gòu)有3個(gè)不同位置的截面發(fā)生破壞為襯砌結(jié)構(gòu)承載能力壽命終結(jié)的標(biāo)志；薛振年[4]假定，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)某截面破壞且破壞時(shí)應(yīng)力水平達(dá)到極限應(yīng)力的80%時(shí)，認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)破壞，即襯砌結(jié)構(gòu)承載能力壽命終止。本研究采用綜合安全系數(shù)作為承載壽命的衡量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范要求的安全系數(shù)限值適用于設(shè)計(jì)階段，它考慮了荷載的不確定性，與壽命“預(yù)測(cè)”的特點(diǎn)是比較契合的；但對(duì)于實(shí)測(cè)的荷載作用和結(jié)構(gòu)抗力，綜合安全系數(shù)小于規(guī)范要求的限值，并不意味著截面破壞甚至隧道壽命終結(jié)。

根據(jù)力學(xué)分析的結(jié)果，隧道襯砌承受彎矩M、軸力N和剪力Q等內(nèi)力的綜合作用；多數(shù)情況下，控制襯砌結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算的是彎矩M和軸力N。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，本研究選擇驗(yàn)算正截面承載能力極限狀態(tài)。根據(jù)規(guī)范[8]10.4.4，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)校核時(shí)可按綜合安全系數(shù)法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。驗(yàn)算可采用綜合安全系數(shù)法，可按式(1)計(jì)算綜合安全系數(shù)K。

K=Mu/M。

(1)

式中，Mu為襯砌受彎承載力極限值，取決于襯砌計(jì)算軸力N和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；M為襯砌計(jì)算彎矩。

1.2 材料性能經(jīng)時(shí)變化

1.2.1 受力鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的最主要原因[9]；鋼筋銹蝕量的計(jì)算可采用理論模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，理論模型考慮的因素較為全面，但其中參數(shù)難于確定，實(shí)用性較差；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅阌趹?yīng)用，但缺乏足夠的理論依據(jù)，且不同的研究考慮的因素各不相同，局限性也較大。故宜按規(guī)范[10]附錄C，將兩者結(jié)合起來(lái)，提出了一般環(huán)境鋼筋銹蝕深度、速率和年限的系列計(jì)算公式。利用這些公式，受拉鋼筋的有效截面面積As可按式(2)估算[9-10]。

As=φsA0≈[1.0-4δ/d]A0，

(2)

式中，φs為鋼筋截面面積系數(shù)；A0為鋼筋截面面積初值；δ為鋼筋銹蝕深度，可按式(3)估算；d為鋼筋直徑。

(3)

式中，λ0,λ1為保護(hù)層銹脹開(kāi)裂前后鋼筋年平均銹蝕速率；ti為結(jié)構(gòu)建成至鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間；tcr為結(jié)構(gòu)建成至保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的時(shí)間。

1.2.2 混凝土強(qiáng)度劣化

混凝土結(jié)構(gòu)的服役年限，必須考慮混凝土強(qiáng)度劣化的影響[11]；一般來(lái)說(shuō)，混凝土強(qiáng)度在初期隨時(shí)間增大，但增長(zhǎng)速度逐漸減慢，在后期則隨時(shí)間下降，可按式(4)估算。

fc=φcf0，

(4)

式中,φc為混凝土強(qiáng)度系數(shù)，可按式(5)計(jì)算；f0為混凝土強(qiáng)度初值。

根據(jù)研究，經(jīng)年混凝土強(qiáng)度仍服從正態(tài)分布，混凝土抗壓強(qiáng)度系數(shù)可按下式估算[11]。

φc=[ζ(t)·μ0-1.645ξ(t)·σ0]/(μ0-1.645σ0)。

(5)

式中，μ0為混凝土實(shí)測(cè)28 d強(qiáng)度的平均值；σ0為混凝土實(shí)測(cè)28 d強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差；ζ(t)、ξ(t)為隨時(shí)間變化的函數(shù)。

1.2.3 材料劣化變速

上述“受力鋼筋銹蝕”和“混凝土強(qiáng)度劣化”反映的是自然條件下的材料劣化過(guò)程，某些特殊原因可能導(dǎo)致劣化加速或延緩；為反映材料劣化速度改變，也為更好地利用現(xiàn)有研究成果，本研究引入材料劣化變速系數(shù)m，如式(6)所示：

(6)

式中，t1為變速劣化開(kāi)始時(shí)間；t2為變速劣化結(jié)束時(shí)間；f(t)為正常劣化作用函數(shù)，如式(2)中的φs和式(4)中的φc；g(t)為變速劣化作用函數(shù)；m為材料劣化變速系數(shù)，m<1.0，延緩劣化，m>1.0，加速劣化。

1.3 算例及分析

根據(jù)某隧道力學(xué)分析的結(jié)果，選取最不利受力截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)內(nèi)力值(彎矩和軸力)恒定不變，材料參數(shù)值(鋼筋面積、鋼筋強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等)按正常環(huán)境經(jīng)時(shí)變化，計(jì)算的主要參數(shù)及結(jié)果如圖1所示。

圖1 正常環(huán)境襯砌結(jié)構(gòu)的安全性演變Fig.1 Safety evolution of lining structure in normal environment

由圖1可以看出：隧道建成后大約前50 a，實(shí)際混凝土強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)值，但結(jié)構(gòu)綜合安全系數(shù)并未相應(yīng)增加。這是由于隧道襯砌是按“適筋”原則設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)破壞總是從鋼筋屈服開(kāi)始，受“鋼筋”的制約，單純提高混凝土強(qiáng)度并不能提高結(jié)構(gòu)的安全性。

計(jì)算表明：隧道建成后大約70 a，鋼筋開(kāi)始銹蝕，襯砌結(jié)構(gòu)綜合安全系數(shù)即隨之降低；大約120 a，混凝土強(qiáng)度系數(shù)約為0.40，鋼筋面積系數(shù)約為0.98，襯砌結(jié)構(gòu)綜合安全系數(shù)略大于2.0，視為預(yù)測(cè)的壽命終點(diǎn)。由于隧道的設(shè)計(jì)壽命大多為100 a，故可認(rèn)為，在正常情況下，鋼筋混凝土材料的耐久性能滿足隧道設(shè)計(jì)壽命的要求。

計(jì)算表明，綜合安全系數(shù)受鋼筋銹蝕的影響比混凝土劣化要大很多，延緩鋼筋銹蝕是隧道預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的工作重點(diǎn)之一。假設(shè)從第10 a起，受拉鋼筋因?yàn)槟撤N原因銹蝕速度增加為正常速度的兩倍，則大約在第90 a，襯砌結(jié)構(gòu)綜合安全系數(shù)已不足2.0，預(yù)測(cè)的隧道壽命不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 隧道結(jié)構(gòu)體系受力演變模型

2.1 演變模型概述

在隧道的全壽命周期范圍內(nèi)，材料劣化、環(huán)境惡化與結(jié)構(gòu)受力之間或彼此影響[12-15]。材料劣化，比如鋼筋銹蝕、混凝土強(qiáng)度劣化，無(wú)疑會(huì)改變結(jié)構(gòu)的安全性，可能誘發(fā)或加劇各種病害，進(jìn)而引起環(huán)境惡化；環(huán)境惡化，比如地層松動(dòng)或變位、地下水位漲落，必然改變結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)安全性；而結(jié)構(gòu)受力和安全性反過(guò)來(lái)也會(huì)影響材料劣化和環(huán)境惡化的進(jìn)程，比如結(jié)構(gòu)裂縫或破損擴(kuò)展可能加速鋼筋銹蝕，誘發(fā)襯砌背后的水土流失，進(jìn)而引起地層松動(dòng)或變位。為反映隧道全壽命周期的歷程，研究材料劣化及病害發(fā)展過(guò)程等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全性演變的影響規(guī)律，本研究建立了隧道結(jié)構(gòu)體系受力演變模型。該模型的計(jì)算按時(shí)間遞進(jìn)，包括3個(gè)環(huán)節(jié)，分別為力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和性能衰減，涉及的參數(shù)均為變量，或?yàn)闀r(shí)間的函數(shù)，或?yàn)楸舜说暮瘮?shù)。3個(gè)環(huán)節(jié)之間存在參數(shù)接龍和因果循環(huán)的關(guān)系，力學(xué)分析的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的結(jié)果用于確定性能衰減的速度，性能衰減的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，具體的計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)體系受力演變計(jì)算流程圖Fig.2 Flowchart of calculating force evolution of tunnel structure system

2.2 力學(xué)分析模型

力學(xué)分析采用隧道通用結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析結(jié)果將用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。如圖3所示，相關(guān)力學(xué)參數(shù)均為與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)變量，其中，隧道拱頂垂直分布?jí)毫瘮?shù)為q(x,t)，側(cè)墻水平分布?jí)毫瘮?shù)為e1(y,t)和e2(y,t)，地層徑向抗力分布函數(shù)為k(i,t),襯砌剛度分布函數(shù)為EI(i,t)；如果需要，還可以考慮地層切向抗力分布函數(shù)k′(i,t)；上述(x,y)，i分別指某點(diǎn)的坐標(biāo)和位置，兩者是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖3 隧道通用結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.3 General structural mechanical model of tunnel

2.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算項(xiàng)目

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的項(xiàng)目包括結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算和裂縫寬度驗(yàn)算，分別按式(1)和式(7)計(jì)算；結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算的結(jié)果用于安全判斷和壽命預(yù)測(cè)，裂縫寬度驗(yàn)算的結(jié)果為調(diào)整結(jié)構(gòu)性能提供參數(shù)。

隧道襯砌屬于偏心受壓構(gòu)件，考慮長(zhǎng)期作用影響的最大裂縫寬度可按下式計(jì)算[16]：

(7)

式中，σcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σs為受拉鋼筋等效應(yīng)力；Es為鋼筋的彈性模量；cs為最外層受拉鋼筋外邊緣至底邊的距離；deq為受拉鋼筋的等效直徑；ρte為配筋率。

2.4 性能衰減假定

2.4.1 性能衰減概述

性能衰減包括結(jié)構(gòu)性能衰減和材料性能衰減；其中結(jié)構(gòu)性能衰減的結(jié)果用于力學(xué)分析，涉及地層抗力弱化、襯砌剛度退化等內(nèi)容。材料性能衰減的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，涉及受力鋼筋腐蝕、混凝土強(qiáng)度劣化和材料劣化變速等內(nèi)容，如2.2節(jié)所述。

2.4.2 地層抗力弱化

隧道建成后，結(jié)構(gòu)與圍巖之間可能存在漫長(zhǎng)的尋求平衡的協(xié)調(diào)過(guò)程，多數(shù)情況下，這種協(xié)調(diào)或許是有利的。計(jì)算表明，隧道結(jié)構(gòu)體系總能在某種程度趨向更為合理地受力，當(dāng)然也有例外，比如長(zhǎng)期伴泥滲漏可能導(dǎo)致襯砌背后的地層抗力弱化甚至空洞。目前尚無(wú)研究涉及地層抗力弱化的經(jīng)時(shí)規(guī)律，為簡(jiǎn)化分析，假定按式(8)估算地層抗力值kr。

kr=φrk0，

(8)

式中，φr為地層抗力系數(shù)，按式(9)計(jì)算；k0為地層抗力初值，可按《規(guī)范》[17]取值。

(9)

式中，t0為病害點(diǎn)地層抗力弱化開(kāi)始時(shí)間；t1為波及點(diǎn)地層抗力弱化開(kāi)始時(shí)間；t2為地層抗力弱化結(jié)束時(shí)間；vr為地層抗力弱化速度；vs為地層抗力弱化效應(yīng)擴(kuò)散速度；r為地層抗力弱化效應(yīng)擴(kuò)散范圍。

2.4.3 襯砌剛度退化

鋼筋混凝土構(gòu)件經(jīng)歷一段使用期后,構(gòu)件的受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫,對(duì)構(gòu)件的截面剛度產(chǎn)生影響。對(duì)鋼筋混凝土超靜定結(jié)構(gòu)而言,截面剛度的變化不僅影響結(jié)構(gòu)的變形性能,還會(huì)影響到構(gòu)件間的內(nèi)力分布[18]。隧道襯砌剛度值Bl(即圖3中的EI)可按下式估算。

Bl=φl(shuí)B0，

(10)

式中,φl(shuí)為襯砌剛度系數(shù)，按式(11)計(jì)算；B0為襯砌剛度初值。

(11)

式中，ω為計(jì)算裂縫寬度，按式(7)計(jì)算；ω0，ω1，ω2為裂縫寬度限值；φl(shuí)1，φl(shuí)2為襯砌剛度系數(shù)。

3 受力演變模型的算例及分析

3.1 計(jì)算案例概況

某公路隧道V級(jí)圍巖段，二襯斷面如圖4所示；襯砌截面高度h=0.45 m，地層抗力基準(zhǔn)值k0=150 MPa/m，襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，截面采用雙層配筋，內(nèi)外層主筋面積As=A′s=1 900.7 mm2；限于篇幅，其他參數(shù)不一一贅述。

圖4 隧道二襯斷面(單位:cm)Fig.4 Section of tunnel secondary lining(unit:cm)

另外需指出，隧道荷載若能按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取值做具體分析當(dāng)然很好，但各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)往往差別較大不便于總結(jié)規(guī)律。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，下述所有計(jì)算案例的分布?jí)毫Π匆?guī)范[17]推薦的松散荷載計(jì)算取值，不考慮經(jīng)時(shí)變化。

3.2 隧道自然老化

隧道自然老化需按一般大氣環(huán)境考慮受力鋼筋銹蝕及混凝土強(qiáng)度劣化，以及荷載裂縫所導(dǎo)致的襯砌剛度退化等情況。為便于對(duì)比分析，鋼筋銹蝕及混凝土強(qiáng)度劣化過(guò)程與圖1大致相同，此處不再贅述。經(jīng)程序計(jì)算，隧道結(jié)構(gòu)體系的安全演變?nèi)鐖D5所示，其中選取仰拱、拱腳、拱腰、拱肩及拱頂?shù)忍卣鞑课粸榇恚瑏?lái)反映隧道整體的變化。

圖5 基于隧道自然老化的安全性演變Fig.5 Safety evolution based on natural aging of tunnel

由圖5可以看出，仰拱、拱腳、拱腰、拱肩及拱頂?shù)炔课坏陌踩禂?shù)在隧道建成初期有短暫的調(diào)整，中期是相對(duì)漫長(zhǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)，后期安全系數(shù)逐漸降低，一直到最不利位置的安全系數(shù)降至2.0以下，隧道壽命共延續(xù)130～140 a。

隧道建成初期襯砌因受力產(chǎn)生荷載裂縫，裂縫導(dǎo)致襯砌剛度退化，剛度退化導(dǎo)致內(nèi)力重分布，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。由圖5可以看出，在初期的內(nèi)力調(diào)整過(guò)程中，拱腳、拱頂和拱肩等相對(duì)偏危險(xiǎn)部位的安全系數(shù)不變或略有提高，這表明襯砌荷載裂縫并不意味著隧道結(jié)構(gòu)體系受力的惡化。究其原因，相對(duì)較大的襯砌內(nèi)力產(chǎn)生較大的荷載裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致較大的剛度退化，而相對(duì)較小的襯砌剛度只能分擔(dān)較少的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，按此規(guī)律將逐漸趨于平衡。隧道后期結(jié)構(gòu)受力基本上是穩(wěn)定的，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)逐漸降低的原因是材料性能劣化，結(jié)構(gòu)的耐久性取決于材料的耐久性。

綜上可認(rèn)為，按裂縫寬度驗(yàn)算的公式，隧道襯砌出現(xiàn)裂縫幾乎不可避免，但不必對(duì)此過(guò)于擔(dān)心，因?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)體系具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，“偏愛(ài)”合適的穩(wěn)定的內(nèi)力分布。不過(guò)需要注意，裂縫是否存在發(fā)展跡象，在本算例中裂縫是趨于穩(wěn)定的，若實(shí)測(cè)裂縫發(fā)展則可能是由于荷載加劇或圍巖不穩(wěn)定，應(yīng)予以重視。還要注意，裂縫是否引起或誘導(dǎo)材料的加速劣化。

3.3 局部地層弱化

分別選取仰拱、拱腳、拱腰等位置，研究局部地層弱化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力演變的影響；為便于對(duì)比分析，統(tǒng)一假定：地層弱化開(kāi)始時(shí)間為50 a，結(jié)束時(shí)間為75 a，地層抗力弱化速度為0.02/a,弱化效應(yīng)擴(kuò)散速度為0.2 m/a。經(jīng)計(jì)算，拱腳處地層弱化的不利影響更為明顯，如圖6所示。

圖6 基于拱腳地層弱化的安全性演變Fig.6 Safety evolution based on weakening of arch foot stratum

計(jì)算表明，地層弱化會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性演變，且對(duì)弱化附近區(qū)域的影響相對(duì)較大?？傮w上看，地層弱化的影響是不利的，尤其是拱腳處地層弱化的危害最大，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性降低而不能滿足設(shè)計(jì)壽命的要求。從現(xiàn)場(chǎng)反饋的情況看，拱腳處襯砌開(kāi)裂滲漏的現(xiàn)象較為普遍，有可能導(dǎo)致地層弱化，值得相關(guān)養(yǎng)護(hù)部門(mén)重視。

4 結(jié)論

本研究首先基于目前鋼筋混凝土材料耐久性的研究成果，分析了材料劣化過(guò)程對(duì)隧道襯砌安全性演變的影響規(guī)律；然后在此基礎(chǔ)上建立了隧道結(jié)構(gòu)體系受力演變模型，該模型可以考慮材料劣化、環(huán)境惡化與結(jié)構(gòu)受力之間的相互影響，是本研究提出的新思路；最后利用該模型分析了材料劣化及病害發(fā)展過(guò)程等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全性演變的影響規(guī)律。

研究表明：

(1)鋼筋混凝土材料具有良好的耐久性，正常情況下能滿足隧道設(shè)計(jì)壽命的要求；就隧道襯砌配筋而言，結(jié)構(gòu)安全性的演變過(guò)程受鋼筋銹蝕的影響比混凝土劣化要大很多，延緩鋼筋銹蝕是隧道預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的工作重點(diǎn)之一。

(2)隧道襯砌出現(xiàn)裂縫會(huì)導(dǎo)致襯砌剛度退化，從而改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，但一般不至于引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的明顯惡化；對(duì)襯砌裂縫不必過(guò)于擔(dān)心，但需注意，裂縫是否存在發(fā)展跡象，是否引起或誘導(dǎo)材料的加速劣化。

(3)總體上看，局部地層弱化的影響是不利的，尤其是拱腳處地層弱化的危害最大，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性降低而不能滿足設(shè)計(jì)壽命的要求；維持圍巖的穩(wěn)定以及襯砌背后的密實(shí)性，是保障隧道結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命的前提條件。

本研究通過(guò)算例驗(yàn)證了隧道結(jié)構(gòu)體系受力演變模型的可操作性，但相關(guān)研究?jī)H處于起步階段；因此利用了以往鋼筋混凝土材料耐久性的研究成果，同時(shí)為簡(jiǎn)化分析，還采用了若干假定，這些既有成果與假定是否符合隧道的實(shí)際情況，尚需深入研究和完善。