基于鐵路隧道二次襯砌鋼筋間距超標問題的分析

何明峰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

Based Railway Tunnel Lining Reinforcement Spacing Over the Issue of Secondary Analysis

HE Mingfeng

基于鐵路隧道二次襯砌鋼筋間距超標問題的分析

何明峰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

Based Railway Tunnel Lining Reinforcement Spacing Over the Issue of Secondary Analysis

HE Mingfeng

摘要基于實際工程中鐵路隧道二次襯砌鋼筋間距超標問題，結合實例，通過對承載結構的檢算分析，確定隧道結構的安全使用狀態，判斷是否進行拆除返工處理。

關鍵詞鐵路隧道襯砌鋼筋間距超標

1概述

某鐵路隧道上覆第四系全新統坡崩積相粉質黏土、碎石土，坡洪積相粉質黏土，沖洪積相松軟土、細圓礫土、卵石土、漂石土，坡殘積相粉質黏土，下伏基巖為三迭系中統砂巖、泥巖互層。該隧道265-277段圍巖級別及設計參數如表1。

表1　設計參數

施工完畢后，按照相關要求，在拱頂、左右拱腰、左右邊墻和左右側隧底中線共計布置了7條測線，采用地質雷達法對隧道襯砌施工質量進行了檢測，265-277段拱墻雷達圖像情況如圖1。

圖1　地質雷達檢測圖像

雷達圖像分析揭示，265-277段12 m范圍內拱墻鋼筋間距超標，鋼筋間距平均約40 cm，不滿足設計要求。通過對右邊墻位置進行破檢揭示，鋼筋實際間距與無損檢測結果相符。

針對鋼筋間距超標問題，對該段隧道二次襯砌結構進行必要的檢算分析，判定隧道結構是否處于安全狀態，如果處于安全狀態，則可避免拆除返工處理。

2隧道深埋與淺埋的判定

隧道深埋與淺埋的判定應按荷載等效高度值，并結合地質條件、施工方法等因素按式(1)綜合判定

(1)

式中Hp——淺埋隧道分界深度/m；

hq——荷載等效高度/m，按下式計算

式中q——深埋隧道垂直壓力/(kN/m2)；

γ——圍巖容重/(kN/m3)。

礦山法施工條件下，Ⅳ-Ⅵ級圍巖取Hp=2.5hq。

經計算后可知，IVB圍巖雙線隧道深淺埋臨界埋深為17.7 m，265-277段隧道埋深103 m，隧道襯砌結構處于深埋狀態。

3隧道深埋條件圍巖壓力計算方法

計算深埋隧道襯砌時，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平均布壓力可按下列規定確定。

垂直均布壓力按式(2)計算確定

q=γh

(2)

式中Hp——淺埋隧道分界深度/m；

γ——圍巖容重/(kN/m3)；

q——垂直均布壓力/(kN/m2)；

h——荷載等效高度/m；

s——圍巖級別；

ω——寬度影響系數，ω=1+i (B-5)；

B——隧道最大開挖跨度，應考慮超挖影響/m；

i-B每增減1 m時的圍巖壓力增減值，以B=5 m的隧道圍巖垂直均布壓力為準，當B<5 m時取i=0.2，當B>5 m時取i=0.1。

水平均布壓力可按表2確定。

表2　圍巖水平均布壓力

4圍巖壓力分配比例

采用荷載結構模式計算時，考慮到隧道開挖引起的荷載釋放和初期支護、二次襯砌間的分配，根據《鐵路工程設計技術手冊(隧道)》和通常做法，二次襯砌承擔的荷載Ⅱ、Ⅲ級圍巖取計算荷載的30%加載；Ⅳ級圍巖取計算荷載的50%加載，Ⅴ級圍巖取計算荷載的70%加載。

深埋條件主要荷載即圍巖垂直壓力和圍巖水平壓力分布見圖2。

圖2　深埋條件主要荷載作用示意

《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)規定，混凝土和鋼筋混凝土結構的強度安全系數如表3、表4。

根據表3和表4，在二次襯砌混凝土結構檢算時，由于采用主要荷載組合，如果襯砌結構混凝土達到抗壓極限強度(即混凝土抗壓強度控制)，檢算安全系數應≥2.4；如果襯砌結構混凝土達到抗拉極限強度(即混凝土抗裂強度控制)，檢算安全系數應≥3.6；如果襯砌結構鋼筋達到抗拉極限強度(即鋼筋抗拉強度控制)，檢算安全系數應≥2.0。

表3　混凝土和砌體結構的強度安全系數

表4　鋼筋混凝土結構的強度安全系數

5安全評定標準

應用破損階段法對二次襯砌結構進行安全檢算。首先對二襯結構按素混凝土襯砌對抗壓強度、抗裂要求的抗拉強度進行檢算，當不滿足規范要求時，再以鋼筋混凝土界面強度進行襯砌結構檢算。

6素混凝土結構抗壓強度檢算

二次襯砌安全性評價將混凝土結構視為壓彎構件，抗壓安全系數按式(3)計算

(3)

式中K——混凝土的抗壓安全系數；

Ra——混凝土的極限抗壓強度；

N——混凝土的截面的計算軸力；

b——混凝土的截面寬度，取單位長度1 m；

h——混凝土的截面厚度；

φ——構件的縱向彎曲系數；

α——軸向力的偏心影響系數，按《鐵路隧道設計規范》取值。

7鋼筋混凝土結構強度檢算

根據《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)第11.2.10條規定：鋼筋混凝土矩形截面的大偏心受壓構件(x≤0.55h0)，其截面強度應按式(4)計算

(4)

式中K——安全系數；

N——軸向力；

b——截面的寬度/m；

h——截面的高度/m；

h0——截面的有效高度/m，h0=h-a；

Rw——混凝土的彎曲抗壓極限強度；

Ra——混凝土的抗壓極限強度；

Rg——鋼筋的抗拉或抗壓計算強度；

根據《鐵路隧道設計規范》第11.2.11條規定：鋼筋混凝土矩形截面的小偏心受壓構件(x>0.55h0)，其截面強度應按式(5)計算

(5)

8計算模型及計算方法

根據施工圖設計文件，隧道結構設計原則為：根據現行《鐵路隧道設計規范》的圍巖級別劃分，考慮隧道埋深，按荷載-結構模式進行結構計算，按破損階段法進行強度校核，通過工程類比確定襯砌支護參數。計算復合式襯砌時，初期支護按主要承載結構考慮，二次襯砌在Ⅱ、Ⅲ級圍巖可作為安全儲備，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖為承載結構。

本次隧道二次襯砌結構安全評估分析采用有限元軟件ANSYS，用梁單元Beam3來模擬襯砌結構，用彈簧單元Link10(只受壓)來模擬初期支護對二次襯砌的抗力。對用彈簧單元外部施加固定約束，對梁單元施加荷載，計算得到二次襯砌的結構內力，然后檢算其安全系數是否滿足規范要求。材料參數按《鐵路隧道設計規范》選取，如表5。

表5　材料參數

計算工況見表1，計算荷載見表6。

表6　計算荷載

隧道荷載—結構模式有限元計算模型見圖3。

圖3　有限元計算模型

二次襯砌厚度如表7。

計算結果如圖4和圖5。由計算結果可知，彎矩較大值出現在拱頂(A)、左右拱腰(B、B′)、左右墻角(C、C′)和左右側仰拱(D、D′)處。

表7　二次襯砌厚度

圖4　彎矩(單位：N·m)

圖5　軸力(單位：N)

依據《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)，對二次襯砌混凝土結構進行檢算，檢算結果如表8。

由表8可以看出，當襯砌結構混凝土達到抗壓極限強度(即混凝土抗壓強度控制)，檢算安全系數最小為12.65，均≥2.4，表明結構處于安全狀態；當襯砌結構混凝土達到抗拉極限強度(即混凝土抗拉強度控制)，檢算安全系數最小為5.13，均≥3.6，表明結構處于安全狀態；當襯砌結構鋼筋達到抗拉極限強度(即鋼筋抗拉強度控制)，檢算安全系數最小8.75，均≥2.0，表明結構處于安全狀態。

表8　二次襯砌控制截面上安全系數

根據《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)10.5.5條規定，單側縱向鋼筋的最小配筋率為0.2%，對于φ18的鋼筋，當間距大于28 cm后，配筋就不能滿足最小配筋率的要求。

9結論

通過對襯砌結構的檢算分析，混凝土抗壓控制最小安全系數為12.65；混凝土抗拉控制最小安全系數為5.13，鋼筋抗拉控制最小安全系數為8.75，滿足承載性能要求。且該隧道265-277段襯砌段落施工完畢至今，監控觀測未發生任何異常，因此建議不進行拆除返工處理。

在隧道襯砌結構檢測中，發現不滿足設計要求的質量問題時，通過對承載結構進行必要的檢算分析，判定承載結構的安全使用狀態，如果處于安全狀態，則可避免拆除或返工處理，同時在某種程度上可解決工期和處理費用問題。

參考文獻

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[7]葛增超.土木工程中常見目標體的地質雷達圖譜特征[J].后勤工程學院報，2005(2)

中圖分類號：U452

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)04-0101-04

作者簡介：何明峰(1984—)，男，2010年畢業于西南交通大學，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-03-18