隧道二襯結構安全性評估及改進方案

田岳松

(廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州 545006)

1 概述

隧道工程在國民經濟建設中發揮著不可替代的作用，隧道二襯結構既承擔隧道荷載，又起到裝飾作用，正可謂內實外華。二襯結構檢測是隧道施工驗收的重要內容，是確保隧道安全運營的重要保障。

隧道二襯結構安全性檢測多使用地質雷達。地質雷達通過高頻電磁波進行掃描，當電磁波遇到不均勻介質時，其反射系數會發生變化，進而達到識別目標物的目的。然而，地質雷達檢測僅能探測出二襯結構是否密實，或有無鋼筋缺失，難以查明結構受力情況。

一些專家對隧道二襯結構安全性進行相關研究，并提出相應的改進措施。崔蓬勃等針對膨脹力對運營期間隧道二次襯砌結構影響進行研究[1]；余永康等應用數值模擬方法對隧道二襯作用效應及分擔比進行研究[2-3]；胡慶龍等研究隧道襯砌缺陷問題，并提出鋼筋混凝土套襯整治方案[4]；常偉學等研究隧道二襯施工鋼筋間距問題[5-6]；李忠凱等在管棚的設計與施工方法、管棚支護的力學機理、實際工程數值模擬等方面做了大量研究[7-9]；李崇威等總結了二次襯砌的機械配置在二次混凝土澆筑過程中的作用以及施工中的關鍵技術[10-11]；王吉成研究高鐵隧道二襯頂拱帶模注漿孔的布置、注漿要求、注漿材料性能等[12]；尹承紅等結合大瑞鐵路隧道二襯拱頂防脫空施工技術，介紹了隧道二襯拱頂防脫空施工工藝及方法，總結了施工經驗[13]；劉振青等研究了高性能混凝土在隧道二襯結構中的應用[14]；譚賢君等對寒區隧道二襯混凝土冬季施工溫控技術進行研究，為類似工程安全、快速實施提供借鑒[15]。

以上學者主要針對于不同環向鋼筋間距、二襯頂部脫空、二襯內單層鋼筋條件下二襯結構的安全性問題進行研究，但是其并未涉及較長段隧道二襯鋼筋全部缺失情況，以下采用ANSYS建模對二襯結構進行模擬，綜合考慮鋼筋缺失情況、圍巖類型、隧道埋深、拱墻厚度等因素，得出隧道斷面各部分的軸力圖、彎矩圖，再運用破損階段法計算出各部分的抗拉抗壓安全系數，從而判斷出隧道二襯是否安全。

2 工程概況

2.1 隧道概況

石家莊某隧道直線段處為Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，該地段為單斜構造，節理裂隙較發育，給施工帶來較大難度。采用鋼格柵φ6.5@150 mm鋼筋網片及C25網噴混凝土進行初期支護，豎井鋼格柵四角設置I22a工字鋼斜撐進行加強，二襯采用C35模筑混凝土。隧道狀況如圖1。

圖1 某隧道直線段狀況

2.2 地質概況

石家莊地區屬于華北地塊一級大地構造單元，為相對穩定地塊。隧道采用暗挖及明挖兩種方式開挖，全長約5 495.7 m，未見地下水。其中，DK26+039～DK26+500段處于安山巖地層，為Ⅳ級圍巖，淺灰色，弱風化，巖體較完整，呈塊石狀鑲嵌結構。存在二襯缺陷的段落有3段，也處于安山巖地層，分別為:DK28+400～DK30+560、DK30+698～DK31+000、DK45+035～DK45+055，均為Ⅴ級圍巖，灰紫色、灰綠色，強風化，節理裂隙發育，呈破碎狀結構。

3 結構荷載計算

3.1 評估依據

基于破損階段法理論，以二襯結構破壞時受力情況為根據，綜合考慮材料的塑性性能并引入抗拉抗壓安全系數，依據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》，礦山法隧道應采用曲墻式襯砌，并宜采用復合式襯砌。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Ⅳ級、Ⅴ級圍巖情況下，宜按承載結構設計。

3.2 計算公式

(1)隧道深淺埋的劃分

劃分隧道深埋與淺埋時，有

（3）如果容量為1MW及其以上的發電機定子繞組和引出線出現短路，需要裝設縱聯差動保護。其保護配置作為發電機內部短路的主要保護，能及時、靈敏地切除內部所發生的故障，確保動作的選擇性與工作的安全性。

Hp=(2～2.5)hq

(1)

(2)

式中：Hp為淺埋隧道分界深度；hq為荷載等效高度；q為深埋隧道垂直壓力；γ為圍巖容重。

令Hp取最大值，經計算，4段隧道Hp分別為7.095 m、15.323 m、15.323 m、9.903 m，而此4段隧道實際埋深均超20 m，故判別為深埋隧道。

(2)深埋圍巖壓力計算

圍巖垂直均布壓力為

q=γh=0.45×2s-1ωγ

(3)

式中，s為圍巖級別；ω為寬度影響系數；B為隧道最大開挖跨度，應考慮超挖影響。

隧道二襯荷載承載能力有一定范圍，A段(DK26+039～DK26+500)無結構缺陷，二襯荷載分擔比例取最大值；其余3段存在鋼筋缺失，二襯荷載分擔比例取最小值(見表1、表2)。

表1 圍巖水平均布壓力

表2 二襯再分配比例系數及垂直水平荷載

①偏心受壓結構抗壓強度為

K1N≤φαRabh

(4)

式中：Ra為混凝土抗壓極限強度；K1為抗壓安全系數；b為截面的寬度；h為截面厚度；α為軸向力偏心影響系數。

②偏心受壓結構抗拉強度為

(5)

式中：Rl為混凝土的抗拉極限強度；e0為截面偏心距；K2為抗拉安全系數。

4 二襯鋼筋缺失結構安全性評估

4.1 參數選取和模型建立

通過無破損檢測，表明隧道正洞DK26+039～DK26+500段鋼筋信號正常，DK28+400～DK300+560、DK30+698～DK31+000和DK45+035～DK45+055段拱頂無明顯鋼筋信號，其結構參數見表3～表5。基于隧道安全考慮，對上述4段二襯結構進行內力分析。

表3 各里程段襯砌設計參數

表4 圍巖物理力學計算參數

表5 C35混凝土物理力學計算參數

應用AutoCAD軟件，按照相應尺寸取點k1～k40連線模擬隧道斷面，再導入ANSYS軟件。Beam3為對稱單元，等截面二襯采用Beam3單元，非對稱截面采用Beam54單元；二襯選用C35參數；根據圍巖級別不同選用對應的地層彈性約束(彈性模量、泊松比)。根據二襯截面具體受力狀況加載，進行后處理得出彎矩、軸力(如圖3)及具體數值(見表6～表8)。進一步計算出抗壓抗拉安全系數，與抗壓強度規范安全系數2.4、抗拉強度規范安全系數3.6進行比較，得出結構安全評估結論。

表6 DK26+039～DK26+500段結構安全性計算結果

表7 DK28+400～DK300+560段結構安全性計算結果

表8 二襯結構安全性評估結果

圖2 二次襯砌內力計算結果

4.2 二襯結構安全性評估

無缺陷段DK26+039～DK26+500具體建模及計算過程如圖3所示。

圖3 Ⅳb型復合式襯砌斷面設計( 單位：cm)

根據上述彎矩值、軸力值求偏心距，有

e0=M/N

(6)

①e0/h>0.2時，屬于抗拉控制，有

Nu=min(1×a×Ra×b×h/1 000(1×1.75×R1×h×b)/(6×e0/h-1)/1 000)；抗拉安全系數=Nu/N>3.6，滿足要求。

②e0/h<0.2時，屬于抗壓控制，有

抗壓安全系數=Nu/N>2.4，滿足要求。

5 改進方案

鋼筋缺失會對隧道結構安全造成較大威脅。由表7可知，DK28+400～DK300+560段鋼筋缺失，抗拉安全系數不滿足需求，存在極大安全隱患，必須進行安全改造。對于較長段隧道二襯鋼筋缺失情況，可以鑿除二襯，確保伸出鋼筋搭接長度合格，消除松散的混凝土，清理開鑿面使其干凈整潔并做鑿毛處理，然后完成排水系統的修補，最后澆筑混凝土。經過二次驗收，各段隧道均已滿足結構安全驗收標準，結構承載力滿足要求，達到預期效果。

6 結論

通過ANSYS有限元分析，運用破損階段法計算得出的各段隧道數據結果與第三方地質雷達無損檢測結果相符，該評估方案相較其他方案，能更直觀展現出二襯結構的受力狀態；引入安全系數較其他復核方案更準確地分析二襯結構的安全性。全斷面鋼筋在承載力極限范圍內，均正常工作。拱部鋼筋缺失造成二襯結構不能達到安全標準，抗拉控制安全系數降低均超過70%，承載力不能滿足隧道二襯承載力要求。必須做好包括鑿除二襯、添加鋼筋等的補強措施以保證二襯結構安全。