鐵路隧道襯砌厚度及強度不足安全性影響分析

杜志田，朱雙燕，趙福全，朱戰魁

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

截至2020年底，全國鐵路營業里程達14.6萬km以上，投入運營的鐵路隧道共16 798座，總長約19 620 km[1]。隧道二次襯砌施工過程中，由于施工工藝的缺陷，可能會引起隧道襯砌結構混凝土厚度及強度不足，嚴重時甚至形成隧道背后空洞[2-3]。若襯砌質量缺陷不能及時補救，極易發生重大安全事故[4]。

學者們對隧道襯砌缺陷的安全影響開展研究。周偉[5]對廣東省某隧道二襯缺陷進行了受力計算，對比了隧道襯砌有無缺陷情況下襯砌結構的安全系數關系；王興波等[6]通過理論分析和數值模擬方法，對襯砌結構不同位置處應力和安全系數的變化規律進行分析；王志杰[7]分析鹽漬土地層隧道底部襯砌厚度缺陷的安全性，研究了典型截面安全系數的變化規律；趙東平等[8-9]依托廈門翔安海底隧道工程，采用三維數值計算對隧道背后空洞及襯砌厚度不足等病害進行研究，發現不同位置、不同程度的襯砌空洞均會降低隧道襯砌安全性；汪婕舒[10]依托青藏鐵路昆侖橋隧道工程，對隧道缺陷進行了實地調研，同時對襯砌空洞等缺陷機理進行分析，并通過ANSYS進行數值驗證，提出了襯砌背后注漿、襯砌補強及圍巖加強等措施；曲建生[11]通過數值模擬研究，提出了在施工過程中針對隧道襯砌缺陷的地質雷達無損檢測布線方式，為修復隧道缺陷的施工作業提供了指導；張旭[12]對連拱隧道襯砌背后空洞及襯砌厚度不足等缺陷進行了模型試驗研究，并對襯砌缺陷進行數值模擬驗證，明確了襯砌背后襯砌空洞及厚度不足情況下連拱隧道與圍巖的接觸壓力分布形式；樊永杰等[13]對西南地區某鐵路單線隧道襯砌背后缺陷整治措施進行了研究，提出了泡沫混凝土塊、PE球及PVC管分別配合注漿填充的加固措施；劉劼等[14]從理論及破壞模型中探討了隧道襯砌空洞常見的破壞方式，發現采用襯砌缺陷成套技術中帶模注漿防治技術對襯砌缺陷處理效果顯著。

隧道襯砌缺陷對隧道安全性影響較大，目前研究成果大多僅對襯砌缺陷的某一種工況進行分析。依托某鐵路隧道工程，對不同圍巖級別、不同襯砌類型的厚度和強度不足缺陷進行分析，得到了隧道襯砌缺陷的安全系數變化規律，所得結論對鐵路隧道襯砌缺陷整治提供一定參考。

1 工程概況

某鐵路隧道設計為雙線隧道，路段設計時速200 km，軌面以上隧道凈空橫斷面面積81.37 m2。

隧道采用復合式襯砌，由初期支護、防水隔離層及二次襯砌組成，隧道Ⅲ～Ⅴ級圍巖地段均采用曲墻帶仰拱的襯砌結構型式，Ⅲa和Ⅳa襯砌采用C30混凝土，Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb襯砌采用C35鋼筋混凝土。Ⅲ級圍巖隧道橫斷面尺寸如圖1所示。其他斷面尺寸如表1所示。

圖1 Ⅲa級圍巖隧道橫斷面(單位：cm)

表1 不同圍巖級別隧道橫斷面尺寸

據現場統計，該鐵路隧道襯砌厚度不足缺陷共有126處，其中，拱頂7處、左拱腰34處、右拱腰29處、左邊墻30處、右邊墻26處；隧道襯砌強度不足共有12處，其中，拱頂位置5處、左右拱腰位置3處，左右邊墻4處。缺陷影響范圍較廣，危害較大。因此，需對隧道襯砌結構厚度及強度不足等缺陷進行分析。

2 數值計算模型及工況

2.1 計算模型

計算模型采用荷載-結構模型，數值計算軟件采用ANSYS軟件。襯砌采用彈性梁單元模擬，共計80個節點，地層對襯砌結構的作用采用彈簧單元模擬，彈簧僅受壓，彈性反力系數根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[15](以下簡稱“《隧規》”)進行取值，隧道結構模型如圖2所示。

選取襯砌結構拱頂(1)、拱肩(10)、拱墻(21)、拱腳(33)及仰拱(41)為代表點進行分析，計算節點如圖3所示。

圖3 隧道結構分析節點

Ⅲa、Ⅳa及Ⅴa隧道襯砌結構適用于深埋段，Ⅳb及Ⅴb隧道襯砌結構適用于淺埋段，淺埋隧道埋深按最不利工況選取，土體計算寬高及襯砌承擔圍巖初始荷載比例如表2所示。

表2 計算斷面寬高及襯砌承擔荷載

根據《隧規》規定，在二次襯砌素混凝土結構檢算時，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)，檢算安全系數應≥3.6；二次襯砌鋼筋混凝土結構檢算時，襯砌結構混凝土達到抗拉極限強度，檢算安全系數應≥2.4。

2.2 計算工況

對隧道襯砌厚度及強度不足缺陷進行分析，計算工況如表3、表4所示。

表3 襯砌厚度不足計算工況

表4 襯砌強度不足計算工況

3 隧道襯砌厚度不足影響

3.1 素混凝土襯砌厚度不足影響

Ⅲa及Ⅳa型襯砌結構采用素混凝土，Ⅲa型襯砌一般適用于Ⅲ級圍巖，荷載按《隧規》“附錄D深埋隧道荷載計算方法”進行計算。隧道襯砌拱頂和拱墻厚40 cm，仰拱厚45 cm，采用C30混凝土，在運營期間二襯承擔圍巖初始應力荷載按30%計算[16]。圖4、圖5分別為Ⅲa型襯砌無缺陷及厚度折減系數0.5結構內力圖。由于篇幅限制，不再列出Ⅳa型襯砌內力圖。

圖4 Ⅲa型無缺陷襯砌結構內力圖

圖5 厚度折減系數0.5Ⅲa型襯砌結構內力圖

從圖4、圖5中可以看出，隨著拱頂、拱墻及拱腳襯砌厚度的削弱，拱腳與仰拱相接部位出現應力集中現象。

圖6、圖7分別為Ⅲa和Ⅳa型襯砌初次出現不滿足《隧規》要求時厚度折減安全系數。從圖6、圖7可以看出，厚度襯砌折減系數為0.5，Ⅲa型襯砌拱腳安全系數為2.6<3.6(《隧規》要求值)；折減系數為0.6時，Ⅳa型襯砌拱腳安全系數為2.6<3.6。

圖6 Ⅲa型襯砌厚度折減系數0.55安全系數

圖7 Ⅳa型襯砌厚度折減系數0.6安全系數

圖8為素混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數變化曲線。從圖8可以看出，隨著襯砌厚度的減少，拱頂、拱肩及仰拱安全系數均遠超規定值3.6，且數值波動不大，而拱腳處在削減系數為1.0時，Ⅲa型襯砌拱腳安全系數值最大為16.8，Ⅳa型襯砌為10.5，隨著襯砌厚度的不斷減少，拱腳處安全系數不斷降低，當襯砌厚度折減系數為0.6時，Ⅳa型襯砌拱腳處安全系數為2.6，當襯砌厚度折減系數為0.5時，Ⅲa型襯砌拱腳處的安全系數為2.2，小于《隧規》規定值3.6。

圖8 素混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數變化曲線

3.2 鋼筋混凝土襯砌厚度不足影響

Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb型襯砌采用C35鋼筋混凝土，在運營期間二襯承擔圍巖初始應力荷載分別按50%、70%及70%計算。圖9～圖11分別為Ⅳb、Ⅴa和Ⅴb型襯砌部分安全系數。

圖9 Ⅳb型襯砌厚度折減系數0.5安全系數

圖10 Ⅴa型襯砌厚度折減系數0.5安全系數

圖11 Ⅴb型襯砌厚度折減系數0.7安全系數

圖12為鋼筋混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數變化曲線。從圖9～圖12可以看出，隨著襯砌厚度的降低，襯砌安全系數不斷減少，襯砌拱腳位置首先超過限值。當襯砌厚度折減系數為0.7時，Ⅴb型襯砌結構拱腳處安全系數為2.3；折減系數為0.5時，Ⅳb型襯砌結構拱腳處的安全系數為2.2，Ⅴa型襯砌結構拱腳處安全系數為2.4，安全儲備較少，需對襯砌結構進行補強。

圖12 鋼筋混凝土襯砌厚度不足拱腳安全系數變化曲線

4 襯砌強度不足影響

4.1 素混凝土襯砌強度不足影響

襯砌強度折減在計算過程中通過降低襯砌結構彈性模量實現，圖13、圖14分別為Ⅲa、Ⅳa型襯砌部分安全系數。從圖13、圖14可以看出，襯砌折減厚度為0.5時，Ⅲa型襯砌各位置處安全系數均滿足《隧規》要求值(3.6)。襯砌折減厚度為0.6時，Ⅳa型襯砌拱頂安全系數(3.4)首先出現不安全狀態。

圖13 Ⅲa型襯砌強度折減系數0.5安全系數

圖14 Ⅳa型襯砌強度折減系數0.6安全系數

圖15為素混凝土襯砌強度不足拱頂安全系數變化曲線。從圖13～圖15可以看出，拱頂處安全系數較其他位置更小，且隨著強度的減弱，隧道襯砌結構的安全系數也逐漸變小，當襯砌強度折減系數為0.6時，Ⅳa型襯砌拱頂安全系數為2.4，而Ⅲa型襯砌安全系數均在規范要求值3.6以上。

圖15 素混凝土襯砌強度不足拱頂安全系數變化曲線

4.2 鋼筋混凝土襯砌強度不足影響

Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb襯砌采用C35鋼筋混凝土，圖16～圖18分別為Ⅳb、Ⅴa及Ⅴb型襯砌部分安全系數。

圖16 Ⅳb型襯砌強度折減系數0.5安全系數

圖17 Ⅴa型襯砌強度折減系數0.5安全系數

圖18 Ⅴb型襯砌強度折減系數0.6安全系數

圖19為鋼筋混凝土襯砌強度不足拱頂安全系數變化曲線。從圖16～圖19可以看出，隨著襯砌強度的不斷削弱，隧道拱頂安全系數不斷減小，當強度折減系數為0.6時，Ⅴb型襯砌拱頂安全系數為2.4，拱肩及拱腳安全系數均為2.3，襯砌已處于不安全狀態。而其他類型襯砌結構在強度折減系數為0.5時，襯砌的安全系數均大于2.4，滿足《隧規》要求。

圖19 鋼筋混凝土襯砌強度不足拱頂安全系數變化曲線

5 結論

依托某鐵路隧道工程，采用數值模擬對隧道襯砌結構厚度和強度缺陷進行分析，研究得到以下結論。

(1)隨著襯砌厚度的削弱，隧道襯砌結構安全系數不斷降低，隧道拱腳位置處安全系數首先不滿足《隧規》要求。

(2)圍巖越差，強度安全性對襯砌厚度的削弱越敏感。對于素混凝土襯砌結構，當折減系數為0.55時，Ⅲa型襯砌拱腳安全系數為2.6，處于不安全狀態；當襯砌厚度折減系數為0.6時，Ⅳa型襯砌拱腳安全系數已不滿足《隧規》要求。對于鋼筋混凝土襯砌結構，當襯砌厚度折減系數為0.5時，Ⅳb型襯砌及Ⅴa型襯砌均需對襯砌結構采取加強措施；當襯砌厚度折減系數為0.7時，Ⅴb型襯砌拱腳處于不安全狀態，需及時加強襯砌結構。

(3)隨著襯砌強度的減弱，隧道襯砌結構的安全系數不斷減少，隧道結構拱頂最先處于不安全狀態。

(4)圍巖越差，強度安全性對襯砌強度的減弱越敏感。對于素混凝土襯砌結構，當襯砌強度折減系數為0.55時，素混凝土Ⅳa襯砌拱頂安全系數為2.3，處于不安全狀態，需采取加強措施。對于鋼筋混凝土結構，當襯砌強度折減系數為0.6時，鋼筋混凝土Ⅴb型襯砌拱肩及拱腳位置安全系數均小于2.4，拱頂安全系數為2.4，需進行襯砌結構加強。