隧道襯砌掉塊類缺陷結構安全性檢算方法及整治技術方案

楊建偉

中國鐵路北京局集團有限公司工務部，北京 100860

截至2021年底，中國鐵路營業里程突破15萬km，其中，投入運營的鐵路隧道17 532座，總長21 055 km［1］。由于設計不足、施工不良等各方面原因使得部分區段存在拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等施工缺陷，運營期間受到圍巖壓力、列車荷載、地下水侵蝕等作用，極易引發開裂掉塊等病害［2-3］，嚴重危及行車安全。

根據統計，隧道襯砌掉塊類缺陷占全部缺陷的9%，48%的缺陷部位存在裂縫及滲漏水［4］。多數情況下隧道內災害按照“缺陷→病害→致災”規律演變。發現缺陷并及時整治，是減少隧道內病害的最有利措施。

當前針對襯砌掉塊方面的學術研究多傾向于整治技術［5-8］。關寶樹等［9］開發了隧道病害整治專家系統，王春景［10］系統梳理了隧道狀態的評判方法，但目前對于安全性檢算尚缺少統一的分析計算方法，尤其結合Q/CR 9129—2018《鐵路隧道設計規范》（極限狀態法）等新規范的荷載計算方法研究還存在不足。

鑒于此，本文依托實際工程案例，重點分析運營期間隧道二次襯砌缺陷結構安全性檢算方法。依據不同規范中承載力計算的規定，給出分別采用極限狀態法和容許應力法進行缺陷結構安全性檢算的流程和方法，并對工程案例安全狀態進行具體分析，最后給出一種可通用的整治技術方案，為隧道缺陷結構的安全性分析和整治提供參考。

1 工程概況

華北地區一鐵路隧道為單洞雙線隧道，最大埋深50 m，采用復合式襯砌，各級圍巖均采用曲墻帶仰拱的結構形式，拱部和邊墻采用50 cm 厚的C35 鋼筋混凝土，仰拱采用60 cm 厚的C35 鋼筋混凝土。現場排查時在上行線一側拱頂敲擊后出現約0.3 m2掉塊，掉塊處朝大里程方向約有8.0 m2脫空，沿線路方向寬1.7 m，從拱頂中心線沿環向兩側各2.0 m。設計斷面襯砌厚度為50 cm，脫空部位最薄襯砌厚度為5 cm，脫空部分呈倒梯形，缺陷處隧道凈埋深6.73 m，如圖1所示。

圖1 拱頂掉塊處及尺寸（單位：cm）

對隧道二次襯砌破損處及其前一幅板二次襯砌結構混凝土強度進行回彈檢測，拱頂混凝土抗壓強度為37.4 MPa，拱腰及拱腳混凝土抗壓強度為36.6 MPa，該段三個部位強度均滿足設計要求。

依據鐵運函〔2004〕174 號《鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規定》及TG/GW 114—2011《高速鐵路橋隧建筑物修理規則（試行稿）》，確定缺陷等級為4級，嚴重程度為極嚴重。

2 二次襯砌缺陷結構安全性檢算

2.1 檢算流程

二次襯砌缺陷結構安全性檢算流程見圖2。根據規范及既有設計資料選取隧址區圍巖級別，確定圍巖參數，在此基礎上分別按照容許應力法與極限狀態法進行荷載計算，根據荷載計算值進行安全性檢算，進而進行裂縫檢算，最終判定是否滿足安全性要求。

圖2 結構安全性檢算步驟

由于拱頂空洞處二次襯砌厚度不均勻，在按原設計計算缺陷結構安全性的基礎上，逐級按照5 cm 值降低原設計二次襯砌厚度，重復上述計算步驟，直至得到滿足規范要求的最小襯砌厚度。

2.2 結構檢算方法

圍巖級別及圍巖計算參數主要根據TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》和Q/CR 9129—2018 選取。這兩個規范以下分別簡稱舊隧規、新隧規。

容許應力法荷載計算參照舊隧規附錄E——淺埋隧道襯砌作用（荷載）計算方法，極限狀態法荷載計算參照新隧規5.2 節的作用分類及作用組合以及附錄E——淺埋隧道圍巖壓力計算方法。

1）極限狀態法結構安全性檢算方法

①承載能力極限狀態

按照鋼筋混凝土矩形截面偏心受壓構件正截面受壓承載方式計算襯砌軸向力，計算方法參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》第6.2 節內容。

②正常使用極限狀態

襯砌作為鋼筋混凝土受彎、受拉及偏心受壓構件，依據GB 50010—2010 第7.1 節方法，按照荷載標準組合或準永久組合并考慮荷載長期作用的影響進行結構檢算。

2）容許應力法結構安全性檢算方法

不論襯砌受力屬于鋼筋混凝土矩形截面的大偏心受壓還是小偏心受壓，均可根據舊隧規第11.2節相關公式進行檢算。

3）襯砌結構裂縫檢算方法

鋼筋混凝土襯砌受拉、受彎和偏心受壓時最大裂縫寬度均可根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》相關公式進行檢算。

2.3 檢算結果

2.3.1 極限狀態法

通過有限元軟件建立荷載-結構模型，計算襯砌結構內力。襯砌采用二維梁單元模擬，圍巖對襯砌的約束作用采用二維桿單元模擬。假定缺陷范圍混凝土強度為設計強度，缺陷范圍鋼筋按照設計排布，二次襯砌與初期支護完全密貼。首先對原設計進行安全檢算，保持變形控制指標不變，按5 cm 級差逐漸減小襯砌厚度試算，直至得到滿足規范要求的最小襯砌厚度。

原設計拱部和邊墻采用50 cm 厚的C35 鋼筋混凝土，仰拱采用60 cm 厚的C35 鋼筋混凝土。環向主筋采用直徑22 mm 的鋼筋，縱向間距20 cm；縱向鋼筋采用直徑14 mm 的鋼筋，環向間距25 cm；拉筋采用直徑8 mm 的鋼筋，拱墻和仰拱主筋選用直徑22 mm 的鋼筋，鋼筋間距200 mm。首先在有限元軟件中進行內力計算，分別得出基本組合、標準組合時內力。然后按照2.2節檢算方法計算所有截面最大裂縫寬度。結果顯示，其均滿足設計中安全性要求，設計時按照構造要求配主筋即可。

隧道實際檢測的拱頂空洞環向長度約4 m，模型中對應22 ～29號單元。按0.05 m級差減少22 ～29號單元的襯砌厚度，其余單元襯砌厚度保持不變。按照2.2 節檢算方法，得到襯砌厚度為45 ～20 cm 時拱頂22 ～ 29 號單元裂縫寬度均滿足GB 50010—2010 中安全性要求，設計時按照構造要求配主筋即可。當隧道拱頂襯砌厚度為 15 cm 時，24 ～28 號單元襯砌厚度不足（表1），需要增加襯砌厚度。其余位置鋼筋混凝土按照設計厚度計算，滿足規范要求的拱頂最小襯砌厚度為20 cm。因為構造配筋條件下安全性滿足時已經考慮了裂縫安全性要求，因此最大裂縫寬度均不需要檢算。

表1 拱墻襯砌厚度15 cm時加強襯砌試設計配筋

2.3.2 容許應力法

在有限元軟件中進行內力計算。結果顯示：隧道拱腰和拱腳處彎矩較大，拱頂處彎矩最大，軸力最小，為隧道結構最薄弱位置。按照2.2 節方法計算，原設計所有截面最大裂縫寬度均滿足GB 50010—2010 中的安全性要求，設計時按照構造要求配主筋即可。

針對隧道拱頂實際空洞情況，采用與2.3.1 節相同的分析方法，按0.05 m 級差減少22 ～29 號單元的襯砌厚度。計算得出襯砌厚度為45 ～30 cm 時，全斷面所有單元裂縫寬度均滿足GB 50010—2010 中的安全性要求，設計時按照構造要求配主筋即可。其余單元襯砌厚度保持不變，計算得出拱頂襯砌厚度為25 cm 時，25、26、27 號單元實際配筋面積大于計算配筋面積，滿足承載能力要求（表2）。即在拱頂存在4 m長環向空洞，其余位置混凝土按設計厚度計算時，滿足規范要求的拱頂最小襯砌厚度為25 cm。

表2 襯砌厚度為25 cm時襯砌試設計配筋

3 整治方案

結合檢測結果，對掉塊空洞處二次襯砌厚度小于20 cm 以及不密實的襯砌混凝土進行整治。整治關鍵工序如下：

1）搭設腳手架平臺。腳手架作業地段前后2 m 范圍內鋪設土工布，確保軌道不被污染。

2）混凝土分塊鑿除。拱部混凝土采用混凝土切割機進行切割，電鎬進行鑿除，單個混凝土塊的塊徑控制在40 cm 以下，采用高壓水槍對表面進行清理。在空洞部位放置防水布，并留排水通道，水循環利用。在環向施工縫部位，所有接觸網或設備上方，先包覆橡膠管，外側再包覆土工布，避免水污染。施工完畢將襯砌內部和外表面的明水吸干。天窗結束前，檢查未鑿除部分，不得有松動塊或者散落塊，以免掉塊影響列車行駛。

3）注漿管安裝。安裝注漿管（圖3），兼作排氣管。注漿管采用膨脹馬牙扣注漿管，深入空洞部分與鋼筋焊接。1#注漿管開口部分距離襯砌外表面（圍巖側）20 ～25 cm，2#注漿管開口部分距離襯砌外表面35 ～40 cm，3#和4#注漿管距防水板2 cm 左右。注漿管采用膨脹方法錨固在襯砌上。注漿管長度不低于20 cm。

圖3 注漿管安裝示意（單位：mm）

4）模板安裝。模板采用竹膠板，采用植筋進行固定，縫隙采用雙面膠進行封閉，搭接位置采用吊絲固定。掉塊空腔位置采用通絲將模板與鋼筋焊接并與穩定襯砌固定，通絲間距為30 cm（環向）×40 cm（縱向）。安裝模板時，嚴格控制外露吊筋長度，避免侵限。

5）注漿加固。注漿前在新舊混凝土結合面用高壓水槍沖洗濕潤，并噴涂界面劑。聚合物砂漿利用攪拌泵送一體機進行澆筑施工，嚴格按照配合比拌制砂漿。先清理管孔，由下向上注漿，確保管道暢通。注漿過程中要時刻觀察注漿壓力和流量的變化，首次灌漿壓力控制在0.2 MPa 以內，用壓力控制注漿量。當拱頂注漿壓力達到設計終壓并穩定10 min 以上或觀察到溢漿管溢漿，方可結束該孔注漿。注漿結束后將注漿管及溢漿管切除，打磨平整，表面涂刷環氧樹脂作防銹蝕處理。

6）整治效果檢驗。隧道襯砌掉塊類缺陷結構整治完成后，對襯砌厚度、強度、密實度采用地質雷達、回彈儀進行檢測，組織相關部門進行驗收，確保整治效果滿足設計要求。如發現問題應及時反映，視情況采取針對性措施再次進行處理。

7）施工監測。隧道襯砌掉塊類缺陷結構整治過程中，對缺陷段及其兩側各40 m 變形進行監控量測。注漿期間對缺陷部位進行監測，徑向變形大于2 mm時須停止注漿，查找原因。若由環境擾動或設備原因引起，可繼續注漿，直至注滿為止。

4 結論

1）提出了隧道襯砌掉塊類缺陷結構安全性檢算流程，結合舊新兩版隧道設計規范，給出了缺陷結構安全性檢算流程和方法。

2）極限狀態法、容許應力法計算所得的襯砌結構最小厚度分別為20、25 cm，說明容許應力法計算結果更保守。安全性檢算時應綜合考慮和對比兩者的計算結果。

3）給出了一種注漿加固填補襯砌掉塊空洞的通用技術方案，可為類似缺陷的整治處理提供參考。