隧道襯砌質量缺陷結構安全性檢算與評估

曹 君

(常州市軌道交通發展有限公司，江蘇 常州 213022)

隧道襯砌質量缺陷結構安全性檢算與評估

曹 君

(常州市軌道交通發展有限公司，江蘇 常州 213022)

針對某隧道施工中存在的襯砌質量缺陷，按圍巖等級、設計厚度等檢算條件將其分為四類，并對一、二、三、四類都分別設置三種工況，以二襯設計厚度為工況1，二襯拱腰實測厚度最小值為工況2，二襯拱頂一側實測厚度最小值為工況3分別進行檢算、對比分析，從而評估確定結構的安全性。

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1 襯砌質量缺陷分類

1.1 檢算分類

考慮到缺陷埋深情況都為深埋，根據深埋隧道外荷載的計算方法，可根據圍巖等級、設計厚度等檢算條件將其分為四類，對一、二、三、四類都分別設置三種工況，以二襯設計厚度為工況1，二襯拱腰實測厚度最小值為工況2，二襯拱頂一側實測厚度最小值為工況3分別進行檢算、對比分析(見表1)。

表1 質量缺陷分類及工況

1.2 隧道襯砌檢算資料說明

1)第一類隧道襯砌檢算資料說明。a.工程地質勘察報告：花崗巖，弱分化，巖質堅硬，塊狀結構，有輕微巖爆。b.設計支護情況：噴射5 cm厚C25混凝土，拱部1.5 m×1.0 m設置φ22組合中空錨桿，襯砌施作35 cm厚C35混凝土。埋深240 m。c.施工過程介紹：全斷面開挖，噴射5 cm厚C25混凝土，拱部1.5 m×1.0 m設置φ22組合中空錨桿，襯砌施作26 cm厚C35混凝土。d.地質素描：花崗巖，灰黑色，弱風化，中～細粒結構，塊狀構造，節理裂隙較發育，巖體較完整，未見明顯構造痕跡，地下水不發育，圍巖自穩性好。

2)第二類隧道襯砌檢算資料說明。a.工程地質勘察報告：花崗巖，弱分化，巖質堅硬，塊狀結構，有輕微巖爆。b.設計支護情況：噴射5 cm厚C25混凝土，拱部1.5 m×1.0 m設置φ22組合中空錨桿，襯砌施作40 cm厚C35混凝土。埋深331 m。c.施工過程介紹：全斷面施工，噴射12 cm厚C25混凝土，拱部設置網格間距25 cm×25 cm的φ6鋼筋網，拱部設置φ22組合中空錨桿，拱墻設置φ22組合中空錨桿，錨桿間距1.2 m×1.5 m，襯砌施作30 cm厚C35混凝土。d.地質素描：花崗巖，弱風化，中～細粒結構，塊狀構造，巖質堅硬，巖體完整(局部欠完整)，局部裂隙較發育，地下水不發育，圍巖自穩性好。

3)第三類隧道襯砌檢算資料說明。a.工程地質勘察報告：中厚層狀砂質板巖與長石石英砂巖互層，弱風化，巖質堅硬，巖體較完整，洞身深埋，有輕微巖爆。b.設計支護情況：噴射12 cm厚C25混凝土，拱部設置網格間距25 cm×25 cm的φ6鋼筋網，拱部設置φ22組合中空錨桿，拱墻設置φ22組合中空錨桿，錨桿間距1.2 m×1.5 m，襯砌施作40 cm厚C35混凝土。c.施工過程介紹：全斷面施工，噴射12 cm厚C25混凝土，拱部設置網格間距25 cm×25 cm的φ6鋼筋網，拱部設置φ22組合中空錨桿，拱墻設置φ22組合中空錨桿，錨桿間距1.2 m×1.5 m，襯砌施作31 cm厚C35混凝土。埋深649 m。d.地質素描：花崗巖，弱風化，中～細粒結構，塊狀構造，裂隙較發育，巖石結構致密，堅硬，巖體較完整，巖石呈塊狀，地下水不發育，圍巖自穩性較好。

4)第四類隧道襯砌檢算資料說明。a.工程地質勘察報告：厚層條帶狀鈣質板巖夾中厚層狀灰巖，弱風化，裂隙發育，巖體破碎，容易出現涌水、塌方等地質災害。b.設計支護情況：噴射25 cm厚C30混凝土，設置網格間距20 cm×20 cm的φ6鋼筋網，拱部設置φ22組合中空錨桿，拱墻設置φ22組合中空錨桿，錨桿間距1.2 m×1.2 m，鋼架采用H170φ22格柵鋼架，間距1 m/榀，拱部120°范圍內設置φ42-L=3.5 m超前小導管，環向間距0.4 m，縱向2榀鋼架一環，注漿采用水泥漿，襯砌施作40 cm厚C35混凝土。c.施工過程介紹：全斷面施工，噴射12 cm厚C25混凝土，拱部設置網格間距25 cm×25 cm的φ6鋼筋網，拱部設置φ22組合中空錨桿，拱墻設置φ22組合中空錨桿，錨桿間距1.2 m×1.5 m，襯砌施作30 cm厚C35混凝土。埋深675 m。d.地質素描：砂質板巖，弱風化，砂質結構，板狀構造，裂隙較發育，巖石結構致密，較堅硬，巖體較完整，巖石為塊狀、細塊狀，膠結性好，地下水不發育，圍巖自穩性較好。

2 結構安全性檢算方法與參數選取

2.1 混凝土結構的強度安全系數

根據TB 10003—2005鐵路隧道設計規范、TB 10020—2009高速鐵路設計規范(試行)和實際工程情況，計算復合式襯砌時，初期支護應按主要承載結構計算。二次襯砌在Ⅰ級～Ⅲ級圍巖可作為安全儲備，按構造要求設計；在Ⅳ級～Ⅵ級圍巖，應按承載結構設計；計算深埋隧道襯砌時，圍巖壓力按松散壓力考慮。在計算中應分別選用不同的安全系數，并不小于表2所列數值。

表2 混凝土結構的強度安全系數

2.2 襯砌內力的計算方法與參數選取

由于TB 10020—2009高速鐵路設計規范(試行)不涉及到襯砌結構安全驗算方面的內容，故以下計算內容參考TB 10003—2005鐵路隧道設計規范。

該隧道缺陷里程段埋深200 m～700 m，故所有檢算段都是深埋，則可根據TB 10003—2005鐵路隧道設計規范中第4.3節的計算方法來計算深埋隧道襯砌荷載，襯砌內力采用荷載—結構法計算，內力計算參數選取見表3。

表3 內力計算參數

2.3 結構設計承載力計算方法與參數選取

TB 10003—2005鐵路隧道設計規范，結構設計承載力計算按混凝土矩形截面中心及偏心受壓構件計算抗壓強度，從抗裂要求出發，計算混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度。承載力計算參數值見表4。

3 結構安全性檢算結果

根據TB 10003—2005鐵路隧道設計規范，考慮混凝土的破壞原因分別為混凝土達到抗壓極限強度、混凝土達到抗拉極限強度，算得安全系數K壓,K拉，其中安全系數較小點如表5所示。

表4 承載力計算參數值

表5 缺陷部位安全系數

4 結構安全性評估

針對隧道二襯局部厚度不足問題，分成了四大類，每類設置了三種工況，二襯無缺陷為工況1，二襯拱腰出現缺陷為工況2，二襯拱頂一側出現缺陷為工況3，分別進行了截面強度檢算，評估結論如下：1)當二襯無缺陷時，上述四類二襯強度都滿足TB 10003—2005鐵路隧道設計規范的規定。2)當二襯拱腰或拱頂一側出現上述缺陷時，其他位置的安全系數基本無變化，缺陷位置的安全系數顯著降低，降低幅度大約為無缺陷時的50%，但都滿足TB 10003—2005鐵路隧道設計規范的規定。3)對于第三類，無論拱頂一側還是拱腰是否出現上述缺陷，仰拱正中處的安全系數較小，其值大小為3.63，略大于TB 10003—2005鐵路隧道設計規范規定的最小抗拉安全系數3.60。

5 結語

在實際施工中，由于施工單位技術水平參差不齊，隧道厚度不足質量缺陷也是一種常見質量通病。隧道厚度不足對結構安全性影響較大，對襯砌厚度不足出現的位置對結構安全性的了解，控制好現場施工中重點位置襯砌施工技術，有利于避免出現襯砌施工質量缺陷，造成襯砌拆除返工現象。

[1] 鐘悅鵬.某公路隧道襯砌結構檢測及評價[D].廣州：華南理工大學，2012.

[2] 李 松.公路隧道支護結構無損檢測及安全評估研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[3] 周 強.高速公路隧道襯砌背后空洞影響及安全性分析[D].重慶：重慶交通大學，2013.

[4] 張小明.水工隧洞襯砌結構的缺陷檢測及穩定性分析[D].成都：西南交通大學，2014.

[5] TB 10003—2005，鐵路隧道設計規范[S].

[6] TB 10020—2009，高速鐵路設計規范(試行)[S].

Structural safety check-calculation and estimation of tunnel lining quality defect

Cao Jun

(ChangzhouRailTransitDevelopmentCo.,Ltd,Changzhou213022,China)

In light lining quality defect existing in tunnel construction, the paper classifies lining quality defects into four kinds according to surrounding rock degree and design thickness and other check-calculation conditions, and sets three kinds of working conditions for four kinds of lining quality defects. By taking secondary-lining design thickness as working condition 1, taking actual secondary lining haunch measuring thickness as working condition 2, and taking one side of secondary arch top minimum thickness as working condition 3, it respectively carries out check-calculation and comparative analysis, so as to estimate and determine the structural safety.

tunnel, lining, quality defect, check-calculation, estimation

2015-05-23

曹 君(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)22-0168-02

U455.91

A