普速鐵路單線直墻式隧道襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

朱桂富 葉燦鐃 王健偉 李建有 張?jiān)荷?/p>

1.浙江金溫鐵道開發(fā)有限公司， 浙江 溫州 325011； 2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 深圳 518054

隨著運(yùn)營(yíng)隧道服役時(shí)間不斷增加，因施工工藝、施工管理造成的襯砌厚度不足的危害逐漸顯露，給隧道電氣化改造和運(yùn)營(yíng)安全帶來極大隱患［1-3］。針對(duì)襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了一定研究。李明等［4］通過模型試驗(yàn)，取結(jié)構(gòu)位移-荷載曲線的反彎點(diǎn)作為厚度不足襯砌極限承載力，根據(jù)襯砌極限承載力與有效厚度比的關(guān)系，構(gòu)建了厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。宮艷萍［5］采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，針對(duì)不同部位、不同程度的厚度不足，分析了雙線曲墻式隧道襯砌的破壞過程，采用貝葉斯方法構(gòu)建襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)旦［6］通過數(shù)值模擬，針對(duì)襯砌厚度不足，分析襯砌安全系數(shù)與厚度不足缺陷長(zhǎng)度的關(guān)系，并依此構(gòu)建了襯砌厚度不足缺陷長(zhǎng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

既有的對(duì)襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究多集中于雙線曲墻式隧道，而對(duì)單線直墻式隧道的研究相對(duì)較少。本文以金溫貨運(yùn)鐵路（金華—溫州）青田站—溫溪站區(qū)段為工程依托，構(gòu)建隧道襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為單線直墻式隧道襯砌的安全評(píng)價(jià)和缺陷整治提供參考。

1 工程概況

金溫貨運(yùn)鐵路于1998 年正式開通。全線共96 座隧道，隧道總長(zhǎng)35 km。沿線隧道圍巖等級(jí)有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)。巖性以砂礫巖、粉砂巖、流紋巖和凝灰?guī)r為主。隧道襯砌形式以單線直墻式為主。隧道凈寬、凈高分別為4.86、8.43 m，邊墻高5.50 m。全線隧道均設(shè)置C25素混凝土襯砌。

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，金溫貨運(yùn)鐵路隧道襯砌厚度不足缺陷共計(jì)27 391 處，存在厚度不足缺陷的測(cè)線長(zhǎng)度共67 195.52 m，占檢測(cè)測(cè)線總長(zhǎng)的37.89%。單處襯砌厚度不足缺陷長(zhǎng)度最大值為604.94 m。部分隧道厚度不足段落長(zhǎng)度占隧道長(zhǎng)度的90%以上。

2 襯砌承載極限力的確定

2.1 確定方法

因金溫貨運(yùn)鐵路隧道襯砌均為素混凝土襯砌，故僅對(duì)素混凝土襯砌開展研究。

厚度不足主要影響襯砌極限承載力。對(duì)于素混凝土襯砌極限承載力有兩種確定方法：

1）將襯砌開裂作為極限承載狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的荷載為抗裂極限承載力。

2）將襯砌最小主應(yīng)力（σ3）達(dá)到材料抗壓強(qiáng)度作為極限承載狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的荷載稱為抗壓極限承載力。

2.2 襯砌加載數(shù)值模擬分析

采用荷載-結(jié)構(gòu)模型（圖1）進(jìn)行襯砌抗裂和抗壓極限承載力計(jì)算。模型縱向長(zhǎng)度取6 m，混凝土采用非線性本構(gòu)模型。

圖1 計(jì)算模型

設(shè)置襯砌無缺陷，拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足四種工況。計(jì)算時(shí)，側(cè)壓力系數(shù)取0.15，地基反力系數(shù)取500 MPa/m。襯砌設(shè)計(jì)厚度取30 cm，有效厚度取15 cm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)取C25，抗壓極限強(qiáng)度為19 MPa。豎向荷載（q）從0 開始，以5 kPa 為梯度逐級(jí)施加，取襯砌開裂和σ3達(dá)到材料抗壓強(qiáng)度前一級(jí)的豎向荷載作為極限承載力。

按抗裂控制，襯砌無缺陷和拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足四種工況襯砌極限承載力分別為130、125、175、115 kPa，拱頂、邊墻襯砌厚度不足時(shí)極限承載力分別下降3.85%、11.54%，拱腰襯砌厚度不足時(shí)極限承載力反而增大34.62%。

按抗壓控制，襯砌無缺陷和拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足四種工況襯砌極限承載力分別為695、465、525、180 kPa，拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足時(shí)極限承載力分別下降33.09%、24.46%、74.10%。

由以上分析可知：①厚度不足對(duì)抗裂極限承載力的影響小于對(duì)抗壓極限承載力的影響；②厚度不足并不一定會(huì)導(dǎo)致抗裂極限承載力降低。因此，選取抗壓極限承載力作為襯砌的極限承載力進(jìn)行襯砌厚度不足指標(biāo)的影響分析。

3 襯砌厚度不足評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

采用層次分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型的指標(biāo)層和準(zhǔn)則層。

3.1 指標(biāo)層

不同部位襯砌厚度不足可通過實(shí)際厚度和厚度不足缺陷的長(zhǎng)度進(jìn)行描述?；诖耍瑯?gòu)建襯砌厚度不足的評(píng)價(jià)指標(biāo)集合U，即

式中：hr、hd分別為襯砌實(shí)際厚度和設(shè)計(jì)厚度，cm；hr/hd為有效厚度比；L1為襯砌厚度不足缺陷的長(zhǎng)度，m。

3.2 準(zhǔn)則層

采用襯砌厚度不足時(shí)極限承載力（q1）和襯砌無缺陷極限承載力（q0）的比值（α）表征缺陷危害程度。α越大，缺陷危害程度越小。按危害程度將厚度不足缺陷分為四個(gè)等級(jí)，1—4 級(jí)分別對(duì)應(yīng)輕微、中等、嚴(yán)重和極嚴(yán)重四種狀態(tài)。一般情況下，素混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓安全系數(shù)控制值為2.4，因此可以認(rèn)為α降至1/2.4（大約40%）時(shí)，結(jié)構(gòu)缺陷極嚴(yán)重。

對(duì)于某一處長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的厚度不足，設(shè)α降至40%時(shí)的hr/hd為hr4/hd。采用兩種方法劃分等級(jí)。①方法1：依據(jù)(1 -hr/hd)/(1 -hr4/hd)確定厚度不足等級(jí)（C1）。(1 -hr/hd)/(1 -hr4/hd)分別處于［0，1/3）、［1/3，2/3）、［2/3，1）、≥1 區(qū)間時(shí)，對(duì)應(yīng)的C1分別取1、2、3、4。②方法2：依據(jù)α確定厚度不足等級(jí)（C2）。α分別處于 ≥80%、（60%，80%］、（40%，60%］、 ≤ 40%區(qū)間時(shí)，對(duì)應(yīng)的C2分別取1、2、3、4。

最終確定的襯砌厚度不足等級(jí)C= max(C1，C2)。

3.3 綜合分級(jí)及處置原則

按C值將厚度不足缺陷分為四個(gè)等級(jí)。評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和處治措施見表1。

表1 襯砌厚度不足缺陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和處治措施

4 襯砌厚度不足指標(biāo)對(duì)襯砌極限承載力的影響

以金溫貨線鐵路隧道為工程依托，取Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖典型襯砌參數(shù)進(jìn)行襯砌極限承載力計(jì)算。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖對(duì)應(yīng)的側(cè)壓力系數(shù)分別取0.15、0.30、0.50，地基反力系數(shù)分別取500、200、100 MPa/m，襯砌設(shè)計(jì)厚度分別取30、40、50 cm。

4.1 L1對(duì)襯砌極限承載力的影響

hr/hd取0.5，計(jì)算得到襯砌極限承載力隨L1變化曲線，見圖2?？芍孩俟绊敗⒐把r砌厚度不足時(shí)，L1對(duì)極限承載力影響不大。②邊墻襯砌厚度不足時(shí)，L1對(duì)極限承載力的影響較大，且極限承載力與L1負(fù)相關(guān)。為便于評(píng)價(jià)，按不利原則考慮，L1≤ 3 m 時(shí)L1取3 m，3 m ＜L1≤ 6 m時(shí)L1取6 m。

圖2 襯砌極限承載力隨L1變化曲線

4.2 hr/hd對(duì)襯砌極限承載力的影響

L1取3、6 m，計(jì)算得到襯砌極限承載力隨hr/hd變化曲線，見圖3?？芍簩?duì)于不同襯砌厚度不足缺陷長(zhǎng)度，hr/hd對(duì)襯砌極限承載力均有明顯影響。

圖3 襯砌極限承載力隨hr/hd變化曲線

各有缺陷工況hr/hd值計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 hr/hd值計(jì)算結(jié)果

4.3 襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

構(gòu)建各部位襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)作如下假定：①襯砌承擔(dān)荷載的不對(duì)稱性將加劇拱腰厚度不足的影響，故將拱頂、拱腰厚度不足統(tǒng)一考慮，取二者偏于不利的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建拱部襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。②將Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖統(tǒng)一考慮，取三者偏于不利的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建拱部和邊墻襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述假定，一襯砌長(zhǎng)度（L0）為6 m 區(qū)段襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 L0為6 m時(shí)襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為保證L0為任何值時(shí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的適用性，引入缺陷長(zhǎng)度比γ=L1/L0。L1為3、6 m時(shí)γ分別為0.5和1.0。

本文構(gòu)建的襯砌厚度不足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不宜比現(xiàn)行規(guī)范Q/CR 405.2—2019《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第2 部分：隧道》中要求低?，F(xiàn)行規(guī)范將hr/hd按≥ 0.90、［0.75，0.90）、［0.60，0.75）、＜ 0.60 分為1、2、3、4 級(jí)。若表3 較現(xiàn)行規(guī)范嚴(yán)格，則按表3進(jìn)行等級(jí)劃分，否則按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行劃分。

不同γ下依據(jù)hr/hd值確定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4 不同γ下依據(jù)hr/hd確定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

5 工程驗(yàn)證

魁市隧道位于青田站—溫溪站，起止里程K188 +368.5—K188 + 771.5，長(zhǎng)403 m。隧址區(qū)巖性主要為弱風(fēng)化花崗巖和凝灰?guī)r。

1）K188 + 550 —K188 + 568段

該段長(zhǎng)18 m，hd= 25 cm，L0= 6 m。該段可細(xì)分為三個(gè)區(qū)段，對(duì)應(yīng)里程為K188 + 550 —K188 + 556、K188 +556—K188 + 562、K188 + 562—K188 + 568。三個(gè)區(qū)段襯砌在拱頂均厚度不足，hr最小值分別為13.70、13.75、15.25 cm，hr/hd最小值分別為0.548、0.550 和0.610。前2 個(gè)區(qū)段hr/hd最小值均小于0.60，評(píng)定為4級(jí)；最后1 個(gè)區(qū)段hr/hd最小值介于0.60 ～ 0.75，評(píng)定為3級(jí)。

2）K188 + 754.5—K188 + 770.5段

該段長(zhǎng)16 m，hd= 75 cm，L0= 8 m。該段可細(xì)分為兩個(gè)區(qū)段，對(duì)應(yīng)里程分別為K188 + 754.5 —K188 +762.5、K188 + 762.5—K188 + 770.5。兩個(gè)區(qū)段襯砌在右邊墻部位均厚度不足，L1均為8 m，γ均為1.0。第一個(gè)區(qū)段hd最小值為32.00 cm，hr/hd最小值為0.426，小于0.75，評(píng)為4級(jí)。第二個(gè)區(qū)段hd最小值為57.00 cm，hr/hd最小值為0.760，評(píng)為3級(jí)。

6 結(jié)論

1）襯砌加載模擬結(jié)果表明，厚度不足對(duì)襯砌抗裂極限承載力的影響小于對(duì)抗壓極限承載力的影響，且厚度不足并不一定會(huì)導(dǎo)致襯砌抗裂極限承載力降低。故選取抗壓極限承載力作為襯砌極限承載力。

2）采用層次分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型的指標(biāo)層和準(zhǔn)則層。襯砌厚度不足時(shí)極限承載力降至無缺陷時(shí)的40%時(shí)，結(jié)構(gòu)缺陷極嚴(yán)重?；诖藰?gòu)建兩種評(píng)定方法，綜合考慮兩種方法的評(píng)定結(jié)果確定襯砌厚度不足等級(jí)。

3）根據(jù)襯砌厚度不足缺陷長(zhǎng)度和有效厚度比對(duì)極限承載力的影響，結(jié)合兩種評(píng)定方法，建立了基于襯砌厚度不足缺陷長(zhǎng)度比和有效厚度比的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。