高速鐵路隧道襯砌厚度不足對隧道結構安全性的影響

李樂樂,郝艷廣,韓勁龍,雷霆

高速鐵路隧道襯砌厚度不足對隧道結構安全性的影響

李樂樂1,2,郝艷廣1,2,韓勁龍1,2,雷霆1,2

1. 武漢港灣工程質量檢測有限公司, 湖北 武漢 430000 2. 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430000

隧道襯砌厚度局部不足對隧道結構的受力存在很大影響，嚴重危害到對隧道結構安全。本文以某高速鐵路隧道襯砌檢測采集數據為背景，采用數值計算模擬對隧道二次襯砌局部厚度不足的隧道結構進行安全狀況驗算。結果表明：襯隧道襯砌厚度局部不足的影響，導致缺陷處襯砌結構的軸力、彎矩減小，使得缺陷位置襯砌結構的安全性能降低，結構承載能力不足；隧道襯砌局部厚度不足處，隨著厚度愈小，缺陷處彎矩、軸力、安全系數愈小，正常處受力有輕微影響，但總體影響相對較弱。同一斷面存在多處缺陷較單處缺陷隧道結構的安全系數明顯降低，對隧道結構安全影響較大，研究成果可為襯砌厚度不足對隧道結構安全性的影響分析和評價提供參考。

鐵路;襯砌; 隧道安全

21世紀以來，我國隧道工程和地下工程高速發展，已成為世界上建設最多、發展最快的國家[1]。我國隧道所處的工程地質水文環境極其復雜，大部分隧道隨著運營時間增長基本都存在襯砌缺陷等問題[2]。隧道襯砌結構厚度不足對整個襯砌結構產生不利影響，導致襯砌出現較大的變形、裂縫、滲水等問題，特別嚴重時會導致隧道結構垮塌等災害問題，嚴重影響到運營隧道的安全通行[3]。目前，國內外學者通過理論研究、數值分析、試驗模型對襯砌厚度不足缺陷與隧道結構安全進行了研究。如張頂立等[4]通過對100多座鐵路運營隧道運用地質雷達探測分析統計表明，隧道襯砌結構厚度不足是一種普遍現象。孫文龍[5]詳細研究了毛坪隧道襯砌結構缺陷情況，找出襯砌結構病害形成原因并提出對應加固措施。蔣華龍等[6]通過對隧道襯砌結構受力和結構承載力的研究，分析了隧道襯砌厚度不足對結構產生的影響。王興波等[7]采用地層結構法，通過對襯砌結構單點厚度不足時對襯砌結構安全性能進行分析。張成平[8]等對襯砌厚度整體或局部厚度不足時，分析襯砌厚度值與襯砌結構安全系數關系。襯砌厚度整體或局部不足會使得缺陷處界面的慣性矩和剛度發生變化，致使隧道襯砌結構整體承載力降低，襯砌結構裂縫更易出現，導致襯砌結構內鋼筋銹蝕和襯砌滲水等危害，嚴重時導致襯砌結構突然斷裂并引起塌方等事故[9,10]，大幅縮短了運營隧道正常使用壽命，對人身安全和交通質量構成嚴重威脅。

本文運用ANSYS軟件，按照《TB 10003-2016鐵路隧道設計規范》[11]相關規定和提供的隧道結構參數，對深埋條件下某鐵路隧道Ⅳ級圍巖為研究對象，通過采用荷載結構法，采用多種工況研究襯砌厚度不足缺陷對隧道襯砌結構內力、極限承載力和安全系數隨襯砌厚度是否滿足隧道結構安全要求，為襯砌厚度不足對隧道結構安全性的影響分析和評價提供參考依據。

1 基于ANSYS的荷載結構法的有限元解法

1.1 荷載結構法

荷載結構法將圍巖對結構的作用換算為荷載，直接作用于結構上進行計算。荷載結構法的數值計算采用基本假定如下：（1）將隧道襯砌結構計算視為平面應變問題進行分析；（2）假定襯砌結構為小變形彈性梁，襯砌結構為足夠多個離散直梁單元；（3）用彈簧單元模擬圍巖與結構之間相互作用，彈簧單元只承受壓力，不承受拉力；（4）按照局部變形理論確定彈性抗力。

1.2 ANSYS有限元數值解法

通過ANSYS建立有限元模型，根據標準斷面建立隧道襯砌結構幾何模型，用梁單元Beam3模擬襯砌。通過計算出圍巖壓力和襯砌重力為作用荷載，在單元節點上施加徑向彈簧模擬圍巖和二次襯砌之間的相互作用，設定邊墻底端位移邊界條件，求解得出襯砌結構的內力彎矩、軸力、剪力值并進行結構安全分析。

2 二次襯砌結構安全性評價方法及指標

根據《鐵路隧道設計規范》[11]規定，計算混凝土結構抗壓安全系數：

從抗裂要求出發，按式（2）計算混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉安全系數：

鋼筋混凝土抗拉檢算安全系數：

采用公式(1)-(3)計算二次襯砌厚度局部不足情況截面的安全系數，通過與《鐵路隧道設計規范》中查出安全系數的界限值（混凝土抗壓強度安全系數應≥2.4；襯砌結構混凝土達到抗拉極限強度安全系數應≥3.6，鋼筋抗拉強度安全系數應≥2.0）進行比較，據此判斷隧道二次襯砌結構厚度不足情況下的安全狀態。

3 數值計算方案設計

根據某鐵路隧道地質情況，Ⅳ圍巖襯砌承載情況為例，分別計算厚度不足缺陷計算結果。模型參數設定見表1和表2。

表 1 圍巖物理力學參數表

表 2 襯砌的物理力學參數表

根據隧道襯砌厚度檢測主要有以下7個工況，其中方案1~5針對隧道襯砌厚度1處不足時，研究襯砌結構內力分布、承載力特征及安全系數；方案6~7針對襯砌厚度2處不足時襯砌結構內力分布、承載力特征及安全系數，數值計算方案詳見表3。

表3 Ⅳ圍巖數值分析模擬方案

表中1~9襯砌厚度位置見圖1，分別為拱頂、拱頂左、拱頂右、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、左仰拱、右仰拱。二襯厚度示意圖見圖2，荷載—結構模式有限元計算模型見圖3。

圖1 襯砌測點示意圖

圖2 襯砌厚度示意圖

圖 3 有限元計算模型

4 襯砌厚度不足時的結構內力分布及安全系數計算

根據各工況襯砌厚度整體不足時，不同工況襯砌厚度與結構軸力、彎矩之及安全系數。標準工況（工況1）通過計算結果知，彎矩較大值出現在拱頂附近（如A）、拱腰附近（如B）、邊墻附近（如C）、仰拱附近（如D處）見圖4。

圖 4 工況1二次襯砌內力計算結果

根據計算得到的內力，對彎矩較大處進行檢驗，檢驗結果見表4。

表 4 混凝土結構安全檢算結果

由上表可知，拱頂A和拱腰B為抗拉控制，襯砌抗拉控制安全系數最小為4.24，大于3.6，滿足《鐵路隧道設計規范》要求，設計標準工況1滿足要求。

根據上述方法計算其他工況并將計算結果進行匯總繪制分布規律圖見圖5。

圖 5 二次襯砌內力計算結果分布規律

對單點隧道二次襯砌厚度局部不足進行分析可知，二次襯砌結構局部厚度不足引起的安全系數總體呈下降的情況，當二次襯砌結構厚度不足達到一定程度時，缺陷處二次襯砌結構首先出現安全系數小于抗壓強度安全系數規定值(2.4)或抗拉強度安全系數規定值（3.6），導致不能滿足《鐵路隧道設計規范》要求。

5 襯砌厚度不足時的結構安全狀態分析

根據上述7種工況計算結果，分析隧道襯砌厚度不足對隧道結構安全系數變化規律可知：

1）隧道襯砌軸力從拱頂往仰拱方向，軸力呈遞增趨勢，拱頂處軸力最小，拱腰次之，仰拱處軸力最大。

2）隧道襯砌結構彎矩最大處位于拱頂、左右拱腰、左右邊墻位置，屬于病害發生敏感部位。

3）根據計算軸向偏心距0和0.2 h比較可知，拱頂、拱腰基本處于偏心狀態按抗拉壓強度進行驗算，邊墻、仰拱部位基本處于軸心抗壓狀態按抗拉壓強度進行驗算。

4）在襯砌局部厚度逐漸減小的過程中，缺陷部位軸力、彎矩、安全系數基本呈逐漸降低趨勢。

5）隧道襯砌厚度同一斷面存在多處襯砌厚度不足時，存在多處缺陷比單處缺陷隧道結構的安全系數明顯降低，對隧道結構安全影響較大。

6 結論

（1）隧道襯砌厚度不足導致缺陷處襯砌結構的軸力、彎矩減小，降低了隧道襯砌結構缺陷位置的安全性能，致使襯砌結構承載能力降低。

（2）隧道襯砌結構局部厚度不足處厚度愈小，相應的彎矩、軸力、安全系數愈小，缺陷處對隧道襯砌厚度正常處受力有輕微影響，但總體影響相對較弱。

（3）隧道襯砌結構缺陷處安全系數隨著隧道襯砌厚度減小而減小，兩者基本呈同方向變化，可通過曲線擬合、反演等分析得到隧道二次襯砌安全允許的臨界厚度值。

（4）隧道襯砌厚度同一斷面存在多處缺陷較單處缺陷隧道結構的安全系數明顯降低，對隧道結構安全影響較大。

（5）當前襯砌結構在設計時基本采用等截面形式，拱頂處安全系數最小，在隧道出現厚度不足缺陷時，拱頂最容易出現安全隱患，施工時應加強對拱頂襯砌厚度管理。

（6）隧道襯砌厚度不足導致承載能力不足時應對其進行加固，提高隧道二次襯砌結構承載能力。

[1]洪開榮.我國隧道及地下工程發展現狀與展望[J].隧道建設,2015,36(2):95-107

[2]李堯,付兵先,張千里,等.既有重載鐵路隧道底鼓原因及處置措施[J].鐵道建筑,2016(12):53-56

[3]關寶樹.漫談礦山法隧道技術第五講襯砌(一)[J].隧道建設,2016,36(3):251 256

[4]張頂立,張素磊,房倩,等.鐵路運營隧道襯砌背后接觸狀態及其分析[J].巖石力學與工程學報,2013,32(2):217-224

[5]孫文龍.毛坪隧道襯砌缺陷致害機理與加固措施研究田[D].重慶:重慶交通大學,2014

[6]蔣華龍,范厚彬.公路隧道二次襯砌厚度不足成因分析和治理研究[J].城市道橋與防洪,2016(4):113-116,13

[7]王興波,馬龍,李明峰,等.隧道襯砌施工缺陷對結構安全的影響研究田公路交通技術[J].2016,32(2):102-107

[8]張成平,張旭,馮崗,等.襯砌厚度不足對隧道結構安全性的影響分析[J].現代隧道技術,2017,54(2):137-143,169

[9]趙東平,王明年.海底隧道施工缺陷對襯砌安全性影響研究[J].公路,2010(2):198-203

[10]Xiao JZ, Dai FC, Wei YQ,. Cracking Mechanism of Secondary Lining for a Shallow and Asymmetrically-loaded Tunnel in Loose Deposits [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014,43:232-240

[11]中華人民共和國行業標準.鐵路隧道設計規范TB10003-2016,J 449-2016[S].北京:中國鐵道出版社,2017

The Influence of Insufficient Lining Thickness on the Safety of a High-speed Railway Tunnel

LI Le-le1,2, HAO Yan-guang1,2, HAN Jin-long1,2, LEI Ting1,2

1.430000,2.43000,

Insufficient thickness of the tunnel lining will significantly change its mechanical state and threaten the safety of the tunnel structure. A numerical simulation is conducted to analyze the safety state of tunnel linings under the conditions of integral or local insufficient lining thickness based on a high-speed railway tunnel. The results show that insufficient lining thickness leads to a decrease of the axial force and bending moment on the defective section of the tunnel and an obvious reduction of the ultimate bearing capacity of the tunnel structure, which significantly reduces the safety factor of the tunnel structure at the defective section. Additionally, the internal force, bearing capacity and safety factors of the defective section are strongly influenced by lining thickness lack, while sections far away from the defect are relatively less affected by this. The relationship is linear between the lining thickness and the safety factor of the tunnel structure under the condition of an integral or local insufficient lining thickness, and the critical thickness of the tunnel lining for meeting structural safety requirements is determined by a regression analysis, the research results can provide a reference for the analysis and evaluation of the influence of insufficient lining thickness on the safety of tunnel structures.

Railway; lining; tunnel safety

U25

A

1000-2324(2021)01-0105-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.018

2019-01-24

2019-03-07

二航局課題:富水夾泥石特長TBM隧道施工關鍵技術研究(JSZX-G-KY-2018-06)

李樂樂(1988-),男,碩士,工程師,主要研究方向:地下工程. E-mail:8244158855@126.com

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