某鐵路隧道襯砌裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響分析

趙陽川

（中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司，成都 610000）

1 引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程的規(guī)模也與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.5萬km，其中，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座，總長(zhǎng)約19630 km。1980—2020年的40年間，中國(guó)共建成隧道12412座，總長(zhǎng)約17 621 km[1]。隧道數(shù)量和里程逐年增加，隧道襯砌質(zhì)量的安全問題也伴隨而來。裂縫一直是隧道病害的主要形式，隧道襯砌裂縫的存在破壞了襯砌結(jié)構(gòu)整體連續(xù)性，影響了裂縫附近的內(nèi)力傳遞，引起了裂縫附近襯砌內(nèi)力的降低，且隨著裂縫數(shù)量的增加，降低的程度越顯著[2]，可能帶來襯砌結(jié)構(gòu)失效，有較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

因其嚴(yán)重性，許多學(xué)者對(duì)襯砌裂縫展開研究：元騰飛[3]重點(diǎn)研究了隧道襯砌開裂對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響；汪程嘉[4]就既有裂縫對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響進(jìn)行了分析；楊志剛[5]重點(diǎn)探索裂縫寬度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)敏感的影響；王華牢[2]為縱向裂縫情況下襯砌結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)、承載力的計(jì)算分析以及加固設(shè)計(jì)提供新的技術(shù)方法；曹君針[6]對(duì)某隧道施工中存在的襯砌質(zhì)量缺陷，按圍巖等級(jí)、設(shè)計(jì)厚度等檢算條件將其分類；于洪欽[7]等針對(duì)祁連山隧道運(yùn)營(yíng)期內(nèi)襯砌砌開裂的病害問題，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，統(tǒng)計(jì)了襯砌砌裂縫特征及走向分布情況，分析了裂縫產(chǎn)生機(jī)理及原因；王丹[8]研究了隧道襯砌脫空的原因及危害，并建立數(shù)值模型對(duì)不同隧道拱頂脫空范圍及深度下襯砌力學(xué)特征及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出了拱頂脫空下圍巖與襯砌接觸模式；趙偉[9]基于重慶酉陽地區(qū)21座公路隧道的病害檢測(cè)結(jié)果，通過定量分析研究了隧道裂縫在不同位置、不同深度、不同角度的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律，確定隧道襯砌不同裂縫類型的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式；邵帥[10]針對(duì)隧道內(nèi)側(cè)拱腰部位產(chǎn)生拉應(yīng)力集中分布區(qū)域和分縫襯砌結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，提出了瀝青混凝土密封變形縫防止地下水滲漏的工程措施，進(jìn)行了瀝青混凝土密封變形縫的模型試驗(yàn)驗(yàn)證；劉德軍[11]從病害類型及成因、病害檢測(cè)技術(shù)、病害加固治理方法3個(gè)方面對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述和分析，并討論了襯砌診治研究尚存在的不足和下一步可能的研究重點(diǎn)；王澤峰[12]針對(duì)織畢鐵路某軟弱圍巖隧道拱腰處支護(hù)破損開裂原因進(jìn)行探查并提出了相應(yīng)的整治意見；李曉[13]基于鷹鷂山隧道出入口段，通過量測(cè)觀測(cè)、襯砌實(shí)體鉆芯取樣、隧道底部鉆孔探測(cè)，分析了襯砌出現(xiàn)縱向裂縫的原因。

本文就西南地區(qū)某鐵路隧道襯砌砌出現(xiàn)的裂縫缺陷，采用損傷演化參數(shù)表征損傷引起的彈性模量退化，采用數(shù)值模擬對(duì)其安全系數(shù)進(jìn)行檢算，并對(duì)隧道施工裂縫治理進(jìn)行了介紹，以期為類似工程的襯砌裂縫的安全檢算、評(píng)估和整治做出參考。

2 工程概況

本工程為西南地區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。其線路中某隧道作為控制項(xiàng)目，起訖里程全長(zhǎng)1 275 m，最大埋深約122 m。隧道全段的圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)與Ⅴ級(jí)。隧區(qū)地表水主要為溝水和坡面暫時(shí)性流水，流量受季節(jié)影響明顯。地下水系為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水及煤層采空區(qū)老窯積水，第四系土層較薄，含少量孔隙水，基巖中泥巖裂隙水含量甚微，砂巖中相對(duì)較大。圍巖以粉質(zhì)黏土、灰?guī)r及泥巖夾砂頁(yè)巖為主。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

采用裂縫寬度儀和深度儀對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)，襯砌產(chǎn)生19處裂縫，部分裂縫如圖1所示。裂縫均現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)特征，長(zhǎng)度為0.9～6.3 m，寬度為0.1～0.4 mm，深度為51.5～96.3 mm，存在掉塊，滲漏水等病害風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)不同斷面的缺陷情況、圍巖等級(jí)、襯砌類型及埋深，取深埋段落幾處典型裂縫進(jìn)行安全性檢算，其分類及具體檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 襯砌裂縫分類

圖1 隧道襯砌裂縫情況

2.2 裂縫成因分析

隧道襯砌裂縫的成因除地質(zhì)及相關(guān)條件突變外，主要有混凝土配合比、施工時(shí)間、施工質(zhì)量以及環(huán)境溫度濕度這幾方面影響。根據(jù)病害特征，裂縫成因分析如下。

1）混凝土配合比不合理：施工中混凝土骨料級(jí)配差，水灰比過大，導(dǎo)致混凝土凝固時(shí)失水太快，出現(xiàn)干縮裂縫。除此之外，水泥品種選擇不當(dāng)，安定性不良，不同批次的水泥混用，均可能導(dǎo)致襯砌裂縫。

2）襯砌施作時(shí)間不合理：初支施作后需要一定的時(shí)間與圍巖形成穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)，過早進(jìn)行襯砌施作，初支進(jìn)一步受力變形擠壓襯砌，使之襯砌開裂。

3）施工質(zhì)量參差不齊：施工時(shí)初支會(huì)因?yàn)殚_挖時(shí)的超挖及欠挖而厚度不一，從而使結(jié)構(gòu)整體受力不均勻，易使襯砌在拱角等薄弱部位開裂。

4）環(huán)境溫度濕度影響：混凝土內(nèi)部的溫度由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升以及結(jié)構(gòu)散熱的濕度共同疊加形成，而外部溫度主要取決于隧道內(nèi)部溫度。襯砌施作后（未及時(shí)養(yǎng)護(hù)或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)）養(yǎng)護(hù)期間存在的較高內(nèi)外溫差致使襯砌開裂。

3 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.1 荷載結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

根據(jù)荷載結(jié)構(gòu)模型理論，選用大型通用有限元軟件Midas GTS NX實(shí)現(xiàn)計(jì)算，用襯砌用Beam單元來模擬，用彈簧單元link10來模擬圍巖對(duì)襯砌的彈性抗力。對(duì)梁?jiǎn)卧┘雍奢d，計(jì)算得到二次襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后檢算其安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求。襯砌材料參數(shù)取相關(guān)規(guī)范中C35混凝土的相關(guān)力學(xué)參數(shù)?；炷灵_裂后，材料的彈性模量將發(fā)生改變。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）中混凝土本構(gòu)關(guān)系，用損傷演化參數(shù)D（t）來表征損傷引起的彈性量量退化。由于混凝土開裂后開裂部分不能承載，因此，對(duì)混凝土的裂縫模擬考慮對(duì)開裂處的厚度進(jìn)行折減，開裂的深度認(rèn)為混凝土已經(jīng)失效，本案設(shè)計(jì)厚度為50 cm。

3.2 襯砌裂縫安全性檢算

在采用荷載結(jié)構(gòu)模式計(jì)算時(shí)，根據(jù)襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)資料，依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)隧道二次襯砌按照混凝土襯砌對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗裂要求的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算。根據(jù)規(guī)范，在采用主要荷載組合進(jìn)行二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，檢算安全系數(shù)應(yīng)≥2.0，才可滿足規(guī)范要求。對(duì)上述5類不同缺陷類型進(jìn)行檢算。選取拱頂、仰拱、拱腳及邊墻4處彎矩絕對(duì)值較大處作為危險(xiǎn)截面進(jìn)行內(nèi)力檢算，通過將其內(nèi)力值代入安全系數(shù)計(jì)算公式，得到表2中各裂縫部位安全系數(shù)K。從表2可以看出，隧道危險(xiǎn)截面襯砌的均為小偏心控制，各截面拱腳為較危險(xiǎn)部位。最小安全系數(shù)為3.61，均滿足鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的要求。

表2 各縱向裂縫安全系數(shù)檢算

3.3 襯砌裂縫極限深度計(jì)算

經(jīng)過對(duì)該隧道典型裂縫進(jìn)行安全性檢算，各處檢算安全系數(shù)均滿足規(guī)定中的最小安全系數(shù)要求。為進(jìn)一步探究襯砌裂縫與結(jié)構(gòu)安全關(guān)系，現(xiàn)以本隧道深埋段為例，取裂縫深度為150 mm、175 mm、200 mm、225 mm進(jìn)行安全檢算分析，即襯砌承載厚度分別為350 mm、325 mm、400 mm、275 mm，裂縫位置取拱頂處，如圖2～圖5所示。

圖2 裂縫深度150 mm時(shí)拱頂安全檢算圖

圖3 裂縫深度175 mm時(shí)拱頂安全檢算圖

由圖2～圖5中選取各工況下彎矩值較大的危險(xiǎn)位置，將其彎矩絕對(duì)值較大處內(nèi)力值代入安全系數(shù)計(jì)算公式，得到表3中安全系數(shù)。通過表3可以看出，當(dāng)裂縫深度為150 mm與175 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為3.61，各位置均滿足規(guī)范中對(duì)鋼筋混凝土達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度時(shí)2.0的安全系數(shù)控制值，且安全系數(shù)預(yù)留量較足。當(dāng)裂縫深度為200 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)仰拱與拱腳處安全系數(shù)為2.51與2.55，較接近控制值2.0，安全系數(shù)仍滿足要求，但安全儲(chǔ)備較少。而當(dāng)裂縫深度為225 mm時(shí)，其仰拱部位安全系數(shù)為1.92，低于規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。故在V級(jí)圍巖下當(dāng)隧道襯砌裂縫深度高于225 mm時(shí)結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)增加，工程中應(yīng)予以重視。

表3 拱頂縱向裂縫安全系數(shù)檢算

圖4 裂縫深度200 mm時(shí)拱頂安全檢算圖

圖5 裂縫深度225 mm時(shí)拱頂安全檢算圖

4 襯砌裂縫處置

針對(duì)本隧道中并未影響到結(jié)構(gòu)安全性的細(xì)長(zhǎng)裂縫，采用“必可法”處置裂縫。該方法可灌注的最小縫寬為0.05 mm，它的原理是利用緩慢均勻的壓力，通過灌注灌縫膠液將微裂縫中的空氣排出，其突出的優(yōu)點(diǎn)就是將灌注材料可靠地注入裂縫最細(xì)小的末端中，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化恢復(fù)，其具體流程如圖6所示。

圖6 必可法施工流程

5 結(jié)論

某隧道施工期間產(chǎn)生多處大型裂縫，存在掉塊，襯砌脫落，滲漏水等施工風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過模擬計(jì)算分析和安全性檢算，本文得出以下結(jié)論：

1）隧道施工中襯砌裂縫病害的產(chǎn)生原因是多樣的，設(shè)計(jì)、材料到施工質(zhì)量均可能導(dǎo)致襯砌病害產(chǎn)生。由于其受力特征，襯砌拱腰及拱頂處更易產(chǎn)生縱向大型裂縫，類似工程施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格把控相應(yīng)部位施工作業(yè)質(zhì)量，重點(diǎn)控制關(guān)鍵施工工序質(zhì)量。

2）通過數(shù)值模擬分析得出，本案隧道各裂縫處（工程實(shí)際裂縫深度取150 mm和175 mm）危險(xiǎn)截面最小安全系數(shù)為3.61，滿足抗壓條件下最小安全系數(shù)控制值2.0的要求，也說明襯砌處裂縫的產(chǎn)生并不代表結(jié)構(gòu)承載能力不滿足設(shè)計(jì)要求。

3）經(jīng)模擬分析，V級(jí)圍巖條件下，當(dāng)隧道襯砌設(shè)計(jì)厚度為50 cm時(shí)，如裂縫深度超過225 mm時(shí)，其襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，存在施工風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)予以重視。

4）應(yīng)對(duì)此類細(xì)長(zhǎng)裂縫，使用必可法進(jìn)行處置或整治，可有效將灌注材料注入裂縫最細(xì)小的末端中，高效實(shí)現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)一體化恢復(fù)。