隧道二襯欠厚檢測(cè)及結(jié)構(gòu)安全性分析

盛世勇

(中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，蘭州 730000)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，鐵路事業(yè)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，“八縱八橫”鐵路網(wǎng)逐步完善，已通車(chē)隧道越來(lái)越多。然而，由于所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜或施工水平不足，部分隧道工程在交付使用時(shí)，存在一定的質(zhì)量缺陷。若養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)或外部環(huán)境發(fā)生變化，這種質(zhì)量缺陷會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼啦『?，?yán)重影響隧道的安全性。隧道典型病害如圖1所示。

圖1 隧道襯砌病害

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道病害已進(jìn)行大量研究，但大都集中在襯砌開(kāi)裂和滲漏水方面，對(duì)于二襯欠厚方面的研究還略顯不足[1-4]。二襯作為隧道重要的安全儲(chǔ)備，是影響隧道安全運(yùn)營(yíng)的重要因素。二襯欠厚會(huì)使隧道結(jié)構(gòu)受力不合理，承載力低。將二襯截面看作矩形梁，在欠厚截面，其慣性矩與剛度明顯降低，中性軸位置也發(fā)生偏離，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，加之列車(chē)在高速行駛過(guò)程中引起的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題加速了襯砌的破壞。造成二襯欠厚的原因較多，包括地質(zhì)環(huán)境差、超挖和欠挖、土體塌落、混凝土向下錯(cuò)動(dòng)等因素。

針對(duì)隧道二襯此類(lèi)病害問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，其主要的研究方法包括：模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、理論分析等。楊建民等[5]從高鐵隧道二襯設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)比中國(guó)、德國(guó)和日本規(guī)范，并以鄭西高鐵隧道為工程背景，進(jìn)行二襯設(shè)計(jì)研究以及不同埋深隧道的鋼筋實(shí)際受力測(cè)試分析；肖廣智[6]通過(guò)對(duì)鐵路隧道襯砌典型病害(仰拱上拱、涌水、拱頂?shù)魤K風(fēng)險(xiǎn))進(jìn)行系統(tǒng)研究分析，并從施工技術(shù)角度提出改進(jìn)措施；李云等[7]根據(jù)隧道襯砌病害的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，利用改進(jìn)的模糊層次分析法，建立一種新的隧道襯砌健康評(píng)價(jià)模型；周陳嬰等[8-9]基于探地雷達(dá)工作原理，考慮襯砌厚度、鋼筋及鋼拱架分布情況、保護(hù)層厚度、圍巖破碎富水裂隙發(fā)育程度、脫空、不密實(shí)等因素，總結(jié)出一套用于隧道襯砌病害檢測(cè)的高效探地雷達(dá)信號(hào)解譯方法。

西部某高速鐵路是國(guó)家鐵路“四縱四橫”客運(yùn)專(zhuān)線網(wǎng)的重要組成部分，由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)輸壓力大等因素，使得該高速鐵路出現(xiàn)各種病害問(wèn)題。對(duì)該隧道進(jìn)行二襯厚度檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行歸類(lèi)分析，并對(duì)典型的隧道二襯欠厚問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果做出評(píng)價(jià)，得出保證二襯安全的臨界厚度，為鐵路維護(hù)提供理論依據(jù)。

1 隧道二襯檢測(cè)

本次二襯結(jié)構(gòu)檢測(cè)采用設(shè)備為SIR-3000型探地雷達(dá)，主機(jī)可適配所有高中低頻雷達(dá)天線，頻率范圍為16 MHz～2.2 GHz，掃描速率最高可達(dá)300線/s，具有位置自動(dòng)伺服系統(tǒng)，便于信號(hào)的準(zhǔn)確接收。檢測(cè)方法為：選用為400 M地面耦合式一體化屏蔽天線，雷達(dá)主機(jī)發(fā)射高速脈沖信號(hào)，速度為64次/s，每米測(cè)線分布測(cè)點(diǎn)約50個(gè)。

1.1 探地雷達(dá)測(cè)線布置

為準(zhǔn)確探測(cè)鐵路隧道襯砌病害情況，需對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)位置進(jìn)行合理布置。由經(jīng)驗(yàn)可知，高鐵隧道襯砌的關(guān)鍵部位有6個(gè)，分別為：拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻以及仰拱。對(duì)于已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的高鐵隧道，無(wú)法進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)，故只需對(duì)前面5個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行測(cè)線布置，如圖2所示。

圖2 探地雷達(dá)測(cè)線布置

1.2 探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)采用SIR-3000型探地雷達(dá)對(duì)該線隧道二襯厚度檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，存在缺陷部位共有239處。其中，隧道二襯欠厚部位共有167處，二襯欠厚且襯砌背后空洞部位有35處，襯砌背后空洞部位有37處。各類(lèi)病害數(shù)所占總病害數(shù)的比例如圖3所示，典型襯砌病害探地雷達(dá)圖譜如圖4所示。

圖3 各類(lèi)病害數(shù)所占總病害數(shù)比例

二襯病害檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知，二襯欠厚病害數(shù)占總病害數(shù)的69.9%，是影響隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的主要影響因素，為能夠更加準(zhǔn)確地分析二襯欠厚對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)各部位欠厚數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。

圖5 不同位置處二襯厚度缺陷率分布

由圖5可知，拱頂?shù)娜毕莘植悸蔬h(yuǎn)大于在其他部位的缺陷分布率，左、右拱腰次之，左、右邊墻最小，這是由于在隧道建設(shè)過(guò)程中，受重力影響，拱頂混凝土沒(méi)有完全凝固時(shí)，過(guò)早拆除了有效的支撐約束，使得混凝土向下塌落，造成拱頂二襯缺陷，其他部位此類(lèi)現(xiàn)象較少[10]。

2 襯砌結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法

對(duì)于素混凝土二次襯砌截面安全檢算，可通過(guò)破損階段法進(jìn)行檢算，即通過(guò)襯砌混凝土極限承載力與其所受軸力的比值確定安全系數(shù)K[11-12]。

當(dāng)初始偏心距e0≤0.2d時(shí)，襯砌截面安全系數(shù)按式(1)計(jì)算；否則按式(2)計(jì)算。

混凝土截面偏心受壓

KN≤φαRabd

(1)

混凝土截面偏心受拉

(2)

式中，K為安全系數(shù)；N為軸力；R1為混凝土極限抗拉強(qiáng)度；α為軸力偏心影響系數(shù)，其值為1-1.5e0/d；b為截面寬度；d為襯砌厚度；φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，對(duì)于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻可取φ=1，對(duì)于其他構(gòu)件應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比從規(guī)范中選用。

3 計(jì)算理論及原理

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將地層進(jìn)行屬性歸類(lèi)，并根據(jù)地層特點(diǎn)采用計(jì)算公式確定地層壓力，考慮圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的約束影響，采用Winkler地層模型假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)[13]。

應(yīng)用該理論進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)先將襯砌結(jié)構(gòu)離散為多個(gè)單元，對(duì)于弧形襯砌可用折現(xiàn)代替，單元與單元之間以節(jié)點(diǎn)連接，與此同時(shí)，將作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的分布荷載轉(zhuǎn)化為集中荷載作用于節(jié)點(diǎn)之上，將用彈簧模擬的圍巖約束也以集中荷載的方式作用于節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。然后，以各節(jié)點(diǎn)位移(軸向位移、法向位移以及轉(zhuǎn)角位移)為基本未知量，對(duì)單元e進(jìn)行受力分析，如圖7所示。

圖6 襯砌結(jié)構(gòu)離散化

圖7 梁?jiǎn)卧?jì)算簡(jiǎn)圖

3.1 單元?jiǎng)偠染仃嚽蠼?/h3>

采用勢(shì)能駐值原理得到單元e在局部坐標(biāo)系下的平衡方程為[14-15]，即

(3)

可簡(jiǎn)寫(xiě)為

Fe=Keδe

(4)

式(3)、式(4)為局部坐標(biāo)系(x′-y′)下的求解方程，為便于結(jié)構(gòu)“整體”分析，需進(jìn)行坐標(biāo)變換，將局部坐標(biāo)系下的求解方程轉(zhuǎn)換到整體坐標(biāo)系下，直接對(duì)單元?jiǎng)偠染仃嘖e進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

F=Kδ

(5)

式中，F(xiàn)、δ分別為整體坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)位移；K為轉(zhuǎn)換后的單元?jiǎng)偠染仃?，其?/p>

K=RTKeR

(6)

R為轉(zhuǎn)置矩陣，即

(7)

3.2 彈性支承的剛度矩陣求解

圍巖對(duì)襯砌的約束作用可用彈性支承模擬，且僅受法向力，如圖8所示。根據(jù)Winkler地層模型假定，在整體坐標(biāo)系下，圍巖抗力與位移之間的表達(dá)關(guān)系為

圖8 圍巖彈性支承節(jié)點(diǎn)受力簡(jiǎn)圖

(8)

事實(shí)上，應(yīng)用以上力學(xué)原理進(jìn)行人工計(jì)算對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力分析非常困難，故借助有限元程序來(lái)實(shí)現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)求解。

4 隧道二襯欠厚計(jì)算模型

根據(jù)勘查資料，該高速鐵路隧道穿越的主要地層圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，深埋隧道。SIR-3000型探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果顯示，在拱頂、拱腰、邊墻等關(guān)鍵部位均有缺陷。因此，可采用有限元軟件分別建立帶有缺陷的“荷載-簡(jiǎn)化地層-結(jié)構(gòu)”模型，二襯設(shè)計(jì)厚度h為0.4 m，有效厚度為h0，擬定缺陷寬度w為0.6 m，如圖9所示。Ⅳ級(jí)圍巖及二襯混凝土物理參數(shù)如表1所示。各工況設(shè)計(jì)方案如表2所示。

圖9 二襯局部欠厚示意

表1 圍巖及混凝土襯砌物理參數(shù)

表2 工況設(shè)計(jì)方案

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 二襯內(nèi)力變化分析

二襯是隧道結(jié)構(gòu)重要的安全儲(chǔ)備。二襯欠厚往往會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不良影響，為能夠掌握二襯欠厚對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響的一般規(guī)律，根據(jù)二襯欠厚位置、欠厚程度設(shè)置7個(gè)工況(包括25種計(jì)算方案)，各方案下二襯內(nèi)力及安全系數(shù)分布情況如圖10～圖13所示。

圖10 二襯整體欠厚的內(nèi)力及安全系數(shù)

圖11 二襯拱頂欠厚的內(nèi)力及安全系數(shù)

圖12 二襯拱腰欠厚的內(nèi)力及安全系數(shù)

圖13 二襯邊墻欠厚的內(nèi)力及安全系數(shù)

二襯整體欠厚時(shí)，隨h0/h減小，二襯各部位軸力均有所變化，減小最多的為左、右邊墻，拱腰次之，拱頂變化最小，但彎矩變化規(guī)律恰好相反；拱頂欠厚時(shí)，隨h0/h減小，拱頂軸力不斷增大，彎矩不斷減小，左、右拱腰的軸力、彎矩均呈增大趨勢(shì)，左、右邊墻的彎矩、軸力變化較??；左拱腰欠厚時(shí)，隨h0/h減小，拱頂軸力減小至h0/h=0.375后增大，彎矩呈增大趨勢(shì)。左拱腰彎矩、軸力均不斷減小，右拱腰軸力、彎矩減小至h0/h=0.375后增大。左邊墻的軸力不斷減小，彎矩不斷增大，右邊墻的內(nèi)力變化規(guī)律與左邊墻相反；左邊墻欠厚時(shí)，隨h0/h減小，左邊墻軸力變化較小，彎矩不斷較小。

5.2 二襯安全性分析

通過(guò)對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，可得到結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)力結(jié)果。應(yīng)用第2節(jié)方法求得二襯各部位安全系數(shù)。依據(jù)TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)采用破損階段法驗(yàn)算襯砌截面強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)襯砌截面受力形式的不同，選用不同的安全系數(shù)?；炷吝_(dá)到抗壓強(qiáng)度極限時(shí)，K取2.4，混凝土抗拉強(qiáng)度達(dá)到極限時(shí)，K取3.6。因此，可對(duì)各部位的安全系數(shù)進(jìn)行函數(shù)擬合，得到各部位的最小安全厚度，即臨界厚度，如圖14所示。

由圖14表明，二襯整體欠厚，h0/h<0.479時(shí)，拱頂受拉破壞，即臨界厚度為19.2 cm；拱頂欠厚，0.417

圖14 二襯各部位安全系數(shù)擬合函數(shù)

6 結(jié)論

針對(duì)西部高速鐵路某隧道區(qū)間，開(kāi)展二襯結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)工作，并基于二襯欠厚部位、欠厚程度設(shè)置多種工況，分析各工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全性變化，得到以下結(jié)論。

(1)二襯主要的缺陷表現(xiàn)為欠厚缺陷，且二襯欠厚在各部位的分布數(shù)呈正態(tài)分布，拱頂最多，拱腰次之，邊墻最少。

(2)二襯欠厚使得欠厚部位的內(nèi)力整體呈減小趨勢(shì)，極限承載力降低，即安全系數(shù)減小，也對(duì)周?chē)鷨卧a(chǎn)生影響，距離越大影響越小。

(3)二襯整體欠厚時(shí)，臨界厚度為19.2 cm；拱頂欠厚時(shí)，拱頂厚度在16.7～26.3 cm之間為受拉破壞區(qū)間；拱腰欠厚對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響較小，未發(fā)現(xiàn)極限破壞情況；邊墻欠厚時(shí)，臨界厚度為3 cm。