隧道二襯欠厚檢測及結構安全性分析

盛世勇

(中國鐵路蘭州局集團有限公司，蘭州 730000)

近年來，隨著我國經濟快速增長，鐵路事業也得到了長足發展，“八縱八橫”鐵路網逐步完善，已通車隧道越來越多。然而，由于所處地質環境復雜或施工水平不足，部分隧道工程在交付使用時，存在一定的質量缺陷。若養護措施不當或外部環境發生變化，這種質量缺陷會逐漸轉變為隧道病害，嚴重影響隧道的安全性。隧道典型病害如圖1所示。

圖1 隧道襯砌病害

目前，國內外學者對隧道病害已進行大量研究，但大都集中在襯砌開裂和滲漏水方面，對于二襯欠厚方面的研究還略顯不足[1-4]。二襯作為隧道重要的安全儲備，是影響隧道安全運營的重要因素。二襯欠厚會使隧道結構受力不合理，承載力低。將二襯截面看作矩形梁，在欠厚截面，其慣性矩與剛度明顯降低，中性軸位置也發生偏離，容易出現應力集中現象，加之列車在高速行駛過程中引起的動力響應問題加速了襯砌的破壞。造成二襯欠厚的原因較多，包括地質環境差、超挖和欠挖、土體塌落、混凝土向下錯動等因素。

針對隧道二襯此類病害問題，國內學者進行相關研究，其主要的研究方法包括：模型試驗、數值分析、理論分析等。楊建民等[5]從高鐵隧道二襯設計的角度出發，對比中國、德國和日本規范，并以鄭西高鐵隧道為工程背景，進行二襯設計研究以及不同埋深隧道的鋼筋實際受力測試分析；肖廣智[6]通過對鐵路隧道襯砌典型病害(仰拱上拱、涌水、拱頂掉塊風險)進行系統研究分析，并從施工技術角度提出改進措施；李云等[7]根據隧道襯砌病害的調查統計，利用改進的模糊層次分析法，建立一種新的隧道襯砌健康評價模型；周陳嬰等[8-9]基于探地雷達工作原理，考慮襯砌厚度、鋼筋及鋼拱架分布情況、保護層厚度、圍巖破碎富水裂隙發育程度、脫空、不密實等因素，總結出一套用于隧道襯砌病害檢測的高效探地雷達信號解譯方法。

西部某高速鐵路是國家鐵路“四縱四橫”客運專線網的重要組成部分，由于地質環境復雜、運輸壓力大等因素，使得該高速鐵路出現各種病害問題。對該隧道進行二襯厚度檢測，將檢測結果進行歸類分析，并對典型的隧道二襯欠厚問題進行結構安全性計算，將計算結果做出評價，得出保證二襯安全的臨界厚度，為鐵路維護提供理論依據。

1 隧道二襯檢測

本次二襯結構檢測采用設備為SIR-3000型探地雷達，主機可適配所有高中低頻雷達天線，頻率范圍為16 MHz～2.2 GHz，掃描速率最高可達300線/s，具有位置自動伺服系統，便于信號的準確接收。檢測方法為：選用為400 M地面耦合式一體化屏蔽天線，雷達主機發射高速脈沖信號，速度為64次/s，每米測線分布測點約50個。

1.1 探地雷達測線布置

為準確探測鐵路隧道襯砌病害情況，需對探地雷達檢測位置進行合理布置。由經驗可知，高鐵隧道襯砌的關鍵部位有6個，分別為：拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻以及仰拱。對于已經運營的高鐵隧道，無法進行探地雷達檢測，故只需對前面5個關鍵位置進行測線布置，如圖2所示。

圖2 探地雷達測線布置

1.2 探地雷達檢測結果統計

通過采用SIR-3000型探地雷達對該線隧道二襯厚度檢測，統計分析發現，存在缺陷部位共有239處。其中，隧道二襯欠厚部位共有167處，二襯欠厚且襯砌背后空洞部位有35處，襯砌背后空洞部位有37處。各類病害數所占總病害數的比例如圖3所示，典型襯砌病害探地雷達圖譜如圖4所示。

圖3 各類病害數所占總病害數比例

二襯病害檢測結果統計可知，二襯欠厚病害數占總病害數的69.9%，是影響隧道結構安全運營的主要影響因素，為能夠更加準確地分析二襯欠厚對隧道結構的影響，對各部位欠厚數進行統計，如圖5所示。

圖5 不同位置處二襯厚度缺陷率分布

由圖5可知，拱頂的缺陷分布率遠大于在其他部位的缺陷分布率，左、右拱腰次之，左、右邊墻最小，這是由于在隧道建設過程中，受重力影響，拱頂混凝土沒有完全凝固時，過早拆除了有效的支撐約束，使得混凝土向下塌落，造成拱頂二襯缺陷，其他部位此類現象較少[10]。

2 襯砌結構安全性評價方法

對于素混凝土二次襯砌截面安全檢算，可通過破損階段法進行檢算，即通過襯砌混凝土極限承載力與其所受軸力的比值確定安全系數K[11-12]。

當初始偏心距e0≤0.2d時，襯砌截面安全系數按式(1)計算；否則按式(2)計算。

混凝土截面偏心受壓

KN≤φαRabd

(1)

混凝土截面偏心受拉

(2)

式中，K為安全系數；N為軸力；R1為混凝土極限抗拉強度；α為軸力偏心影響系數，其值為1-1.5e0/d；b為截面寬度；d為襯砌厚度；φ為構件縱向彎曲系數，對于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻可取φ=1，對于其他構件應根據長細比從規范中選用。

3 計算理論及原理

根據隧道結構特點，將地層進行屬性歸類，并根據地層特點采用計算公式確定地層壓力，考慮圍巖對襯砌結構的約束影響，采用Winkler地層模型假定進行結構受力計算和截面設計[13]。

應用該理論進行襯砌結構計算時，應先將襯砌結構離散為多個單元，對于弧形襯砌可用折現代替，單元與單元之間以節點連接，與此同時，將作用在襯砌結構上的分布荷載轉化為集中荷載作用于節點之上，將用彈簧模擬的圍巖約束也以集中荷載的方式作用于節點，如圖6所示。然后，以各節點位移(軸向位移、法向位移以及轉角位移)為基本未知量，對單元e進行受力分析，如圖7所示。

圖6 襯砌結構離散化

圖7 梁單元計算簡圖

3.1 單元剛度矩陣求解

采用勢能駐值原理得到單元e在局部坐標系下的平衡方程為[14-15]，即

(3)

可簡寫為

Fe=Keδe

(4)

式(3)、式(4)為局部坐標系(x′-y′)下的求解方程，為便于結構“整體”分析，需進行坐標變換，將局部坐標系下的求解方程轉換到整體坐標系下，直接對單元剛度矩陣Ke進行坐標轉換

F=Kδ

(5)

式中，F、δ分別為整體坐標系下的節點力及節點位移；K為轉換后的單元剛度矩陣，其中

K=RTKeR

(6)

R為轉置矩陣，即

(7)

3.2 彈性支承的剛度矩陣求解

圍巖對襯砌的約束作用可用彈性支承模擬，且僅受法向力，如圖8所示。根據Winkler地層模型假定，在整體坐標系下，圍巖抗力與位移之間的表達關系為

圖8 圍巖彈性支承節點受力簡圖

(8)

事實上，應用以上力學原理進行人工計算對襯砌結構受力分析非常困難，故借助有限元程序來實現襯砌結構力學求解。

4 隧道二襯欠厚計算模型

根據勘查資料，該高速鐵路隧道穿越的主要地層圍巖級別為Ⅳ級，深埋隧道。SIR-3000型探地雷達檢測結果顯示，在拱頂、拱腰、邊墻等關鍵部位均有缺陷。因此，可采用有限元軟件分別建立帶有缺陷的“荷載-簡化地層-結構”模型，二襯設計厚度h為0.4 m，有效厚度為h0，擬定缺陷寬度w為0.6 m，如圖9所示。Ⅳ級圍巖及二襯混凝土物理參數如表1所示。各工況設計方案如表2所示。

圖9 二襯局部欠厚示意

表1 圍巖及混凝土襯砌物理參數

表2 工況設計方案

5 計算結果分析

5.1 二襯內力變化分析

二襯是隧道結構重要的安全儲備。二襯欠厚往往會對結構造成不良影響，為能夠掌握二襯欠厚對結構受力影響的一般規律，根據二襯欠厚位置、欠厚程度設置7個工況(包括25種計算方案)，各方案下二襯內力及安全系數分布情況如圖10～圖13所示。

圖10 二襯整體欠厚的內力及安全系數

圖11 二襯拱頂欠厚的內力及安全系數

圖12 二襯拱腰欠厚的內力及安全系數

圖13 二襯邊墻欠厚的內力及安全系數

二襯整體欠厚時，隨h0/h減小，二襯各部位軸力均有所變化，減小最多的為左、右邊墻，拱腰次之，拱頂變化最小，但彎矩變化規律恰好相反；拱頂欠厚時，隨h0/h減小，拱頂軸力不斷增大，彎矩不斷減小，左、右拱腰的軸力、彎矩均呈增大趨勢，左、右邊墻的彎矩、軸力變化較小；左拱腰欠厚時，隨h0/h減小，拱頂軸力減小至h0/h=0.375后增大，彎矩呈增大趨勢。左拱腰彎矩、軸力均不斷減小，右拱腰軸力、彎矩減小至h0/h=0.375后增大。左邊墻的軸力不斷減小，彎矩不斷增大，右邊墻的內力變化規律與左邊墻相反；左邊墻欠厚時，隨h0/h減小，左邊墻軸力變化較小，彎矩不斷較小。

5.2 二襯安全性分析

通過對二襯結構的計算分析，可得到結構各部位的內力結果。應用第2節方法求得二襯各部位安全系數。依據TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》，當采用破損階段法驗算襯砌截面強度時，根據襯砌截面受力形式的不同，選用不同的安全系數。混凝土達到抗壓強度極限時，K取2.4，混凝土抗拉強度達到極限時，K取3.6。因此，可對各部位的安全系數進行函數擬合，得到各部位的最小安全厚度，即臨界厚度，如圖14所示。

由圖14表明，二襯整體欠厚，h0/h<0.479時，拱頂受拉破壞，即臨界厚度為19.2 cm；拱頂欠厚，0.417

圖14 二襯各部位安全系數擬合函數

6 結論

針對西部高速鐵路某隧道區間，開展二襯結構缺陷檢測工作，并基于二襯欠厚部位、欠厚程度設置多種工況，分析各工況下結構的內力及安全性變化，得到以下結論。

(1)二襯主要的缺陷表現為欠厚缺陷，且二襯欠厚在各部位的分布數呈正態分布，拱頂最多，拱腰次之，邊墻最少。

(2)二襯欠厚使得欠厚部位的內力整體呈減小趨勢，極限承載力降低，即安全系數減小，也對周圍單元產生影響，距離越大影響越小。

(3)二襯整體欠厚時，臨界厚度為19.2 cm；拱頂欠厚時，拱頂厚度在16.7～26.3 cm之間為受拉破壞區間；拱腰欠厚對襯砌結構的影響較小，未發現極限破壞情況；邊墻欠厚時，臨界厚度為3 cm。