某鐵路隧道襯砌裂縫對結構安全的影響分析

趙陽川

（中國鐵路成都局集團有限公司，成都 610000）

1 引言

隨著我國交通基礎建設的不斷發展，隧道工程的規模也與日俱增。據統計，截至2020年年底，中國鐵路營業里程達14.5萬km，其中，投入運營的鐵路隧道共16 798座，總長約19630 km。1980—2020年的40年間，中國共建成隧道12412座，總長約17 621 km[1]。隧道數量和里程逐年增加，隧道襯砌質量的安全問題也伴隨而來。裂縫一直是隧道病害的主要形式，隧道襯砌裂縫的存在破壞了襯砌結構整體連續性，影響了裂縫附近的內力傳遞，引起了裂縫附近襯砌內力的降低，且隨著裂縫數量的增加，降低的程度越顯著[2]，可能帶來襯砌結構失效，有較大安全風險。

因其嚴重性，許多學者對襯砌裂縫展開研究：元騰飛[3]重點研究了隧道襯砌開裂對結構受力性能的影響；汪程嘉[4]就既有裂縫對隧道襯砌結構穩定性影響進行了分析；楊志剛[5]重點探索裂縫寬度對襯砌結構敏感的影響；王華牢[2]為縱向裂縫情況下襯砌結構的安全性評價、承載力的計算分析以及加固設計提供新的技術方法；曹君針[6]對某隧道施工中存在的襯砌質量缺陷，按圍巖等級、設計厚度等檢算條件將其分類；于洪欽[7]等針對祁連山隧道運營期內襯砌砌開裂的病害問題，通過對現場進行調查研究，統計了襯砌砌裂縫特征及走向分布情況，分析了裂縫產生機理及原因；王丹[8]研究了隧道襯砌脫空的原因及危害，并建立數值模型對不同隧道拱頂脫空范圍及深度下襯砌力學特征及穩定性進行分析，得出了拱頂脫空下圍巖與襯砌接觸模式；趙偉[9]基于重慶酉陽地區21座公路隧道的病害檢測結果，通過定量分析研究了隧道裂縫在不同位置、不同深度、不同角度的應力強度因子變化規律，確定隧道襯砌不同裂縫類型的穩定系數計算公式；邵帥[10]針對隧道內側拱腰部位產生拉應力集中分布區域和分縫襯砌結構運動，提出了瀝青混凝土密封變形縫防止地下水滲漏的工程措施，進行了瀝青混凝土密封變形縫的模型試驗驗證；劉德軍[11]從病害類型及成因、病害檢測技術、病害加固治理方法3個方面對其發展現狀進行了詳細闡述和分析，并討論了襯砌診治研究尚存在的不足和下一步可能的研究重點；王澤峰[12]針對織畢鐵路某軟弱圍巖隧道拱腰處支護破損開裂原因進行探查并提出了相應的整治意見；李曉[13]基于鷹鷂山隧道出入口段，通過量測觀測、襯砌實體鉆芯取樣、隧道底部鉆孔探測，分析了襯砌出現縱向裂縫的原因。

本文就西南地區某鐵路隧道襯砌砌出現的裂縫缺陷，采用損傷演化參數表征損傷引起的彈性模量退化，采用數值模擬對其安全系數進行檢算，并對隧道施工裂縫治理進行了介紹，以期為類似工程的襯砌裂縫的安全檢算、評估和整治做出參考。

2 工程概況

本工程為西南地區鐵路網絡的重要組成部分。其線路中某隧道作為控制項目，起訖里程全長1 275 m，最大埋深約122 m。隧道全段的圍巖等級為Ⅳ級與Ⅴ級。隧區地表水主要為溝水和坡面暫時性流水，流量受季節影響明顯。地下水系為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水及煤層采空區老窯積水，第四系土層較薄，含少量孔隙水，基巖中泥巖裂隙水含量甚微，砂巖中相對較大。圍巖以粉質黏土、灰巖及泥巖夾砂頁巖為主。

2.1 現場檢測情況

采用裂縫寬度儀和深度儀對裂縫進行檢測，襯砌產生19處裂縫，部分裂縫如圖1所示。裂縫均現出細長特征，長度為0.9～6.3 m，寬度為0.1～0.4 mm，深度為51.5～96.3 mm，存在掉塊，滲漏水等病害風險。根據不同斷面的缺陷情況、圍巖等級、襯砌類型及埋深，取深埋段落幾處典型裂縫進行安全性檢算，其分類及具體檢測結果如表1所示。

表1 襯砌裂縫分類

圖1 隧道襯砌裂縫情況

2.2 裂縫成因分析

隧道襯砌裂縫的成因除地質及相關條件突變外，主要有混凝土配合比、施工時間、施工質量以及環境溫度濕度這幾方面影響。根據病害特征，裂縫成因分析如下。

1）混凝土配合比不合理：施工中混凝土骨料級配差，水灰比過大，導致混凝土凝固時失水太快，出現干縮裂縫。除此之外，水泥品種選擇不當，安定性不良，不同批次的水泥混用，均可能導致襯砌裂縫。

2）襯砌施作時間不合理：初支施作后需要一定的時間與圍巖形成穩定的受力結構，過早進行襯砌施作，初支進一步受力變形擠壓襯砌，使之襯砌開裂。

3）施工質量參差不齊：施工時初支會因為開挖時的超挖及欠挖而厚度不一，從而使結構整體受力不均勻，易使襯砌在拱角等薄弱部位開裂。

4）環境溫度濕度影響：混凝土內部的溫度由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升以及結構散熱的濕度共同疊加形成，而外部溫度主要取決于隧道內部溫度。襯砌施作后（未及時養護或養護不當）養護期間存在的較高內外溫差致使襯砌開裂。

3 襯砌結構計算模型

3.1 荷載結構模型參數

根據荷載結構模型理論，選用大型通用有限元軟件Midas GTS NX實現計算，用襯砌用Beam單元來模擬，用彈簧單元link10來模擬圍巖對襯砌的彈性抗力。對梁單元施加荷載，計算得到二次襯砌的結構內力，然后檢算其安全系數是否滿足規范要求。襯砌材料參數取相關規范中C35混凝土的相關力學參數。混凝土開裂后，材料的彈性模量將發生改變。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015年版）中混凝土本構關系，用損傷演化參數D（t）來表征損傷引起的彈性量量退化。由于混凝土開裂后開裂部分不能承載，因此，對混凝土的裂縫模擬考慮對開裂處的厚度進行折減，開裂的深度認為混凝土已經失效，本案設計厚度為50 cm。

3.2 襯砌裂縫安全性檢算

在采用荷載結構模式計算時，根據襯砌設計參數相關資料，依據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》，對隧道二次襯砌按照混凝土襯砌對抗壓強度、抗裂要求的抗拉強度進行檢算。根據規范，在采用主要荷載組合進行二次襯砌混凝土結構檢算時，檢算安全系數應≥2.0，才可滿足規范要求。對上述5類不同缺陷類型進行檢算。選取拱頂、仰拱、拱腳及邊墻4處彎矩絕對值較大處作為危險截面進行內力檢算，通過將其內力值代入安全系數計算公式，得到表2中各裂縫部位安全系數K。從表2可以看出，隧道危險截面襯砌的均為小偏心控制，各截面拱腳為較危險部位。最小安全系數為3.61，均滿足鐵路隧道設計規范中對襯砌結構安全系數的要求。

表2 各縱向裂縫安全系數檢算

3.3 襯砌裂縫極限深度計算

經過對該隧道典型裂縫進行安全性檢算，各處檢算安全系數均滿足規定中的最小安全系數要求。為進一步探究襯砌裂縫與結構安全關系，現以本隧道深埋段為例，取裂縫深度為150 mm、175 mm、200 mm、225 mm進行安全檢算分析，即襯砌承載厚度分別為350 mm、325 mm、400 mm、275 mm，裂縫位置取拱頂處，如圖2～圖5所示。

圖2 裂縫深度150 mm時拱頂安全檢算圖

圖3 裂縫深度175 mm時拱頂安全檢算圖

由圖2～圖5中選取各工況下彎矩值較大的危險位置，將其彎矩絕對值較大處內力值代入安全系數計算公式，得到表3中安全系數。通過表3可以看出，當裂縫深度為150 mm與175 mm時，結構最小安全系數為3.61，各位置均滿足規范中對鋼筋混凝土達到抗壓極限強度時2.0的安全系數控制值，且安全系數預留量較足。當裂縫深度為200 mm時，結構仰拱與拱腳處安全系數為2.51與2.55，較接近控制值2.0，安全系數仍滿足要求，但安全儲備較少。而當裂縫深度為225 mm時，其仰拱部位安全系數為1.92，低于規范要求，結構存在安全風險。故在V級圍巖下當隧道襯砌裂縫深度高于225 mm時結構安全風險增加，工程中應予以重視。

表3 拱頂縱向裂縫安全系數檢算

圖4 裂縫深度200 mm時拱頂安全檢算圖

圖5 裂縫深度225 mm時拱頂安全檢算圖

4 襯砌裂縫處置

針對本隧道中并未影響到結構安全性的細長裂縫，采用“必可法”處置裂縫。該方法可灌注的最小縫寬為0.05 mm，它的原理是利用緩慢均勻的壓力，通過灌注灌縫膠液將微裂縫中的空氣排出，其突出的優點就是將灌注材料可靠地注入裂縫最細小的末端中，以實現結構一體化恢復，其具體流程如圖6所示。

圖6 必可法施工流程

5 結論

某隧道施工期間產生多處大型裂縫，存在掉塊，襯砌脫落，滲漏水等施工風險，經過模擬計算分析和安全性檢算，本文得出以下結論：

1）隧道施工中襯砌裂縫病害的產生原因是多樣的，設計、材料到施工質量均可能導致襯砌病害產生。由于其受力特征，襯砌拱腰及拱頂處更易產生縱向大型裂縫，類似工程施工時應嚴格把控相應部位施工作業質量，重點控制關鍵施工工序質量。

2）通過數值模擬分析得出，本案隧道各裂縫處（工程實際裂縫深度取150 mm和175 mm）危險截面最小安全系數為3.61，滿足抗壓條件下最小安全系數控制值2.0的要求，也說明襯砌處裂縫的產生并不代表結構承載能力不滿足設計要求。

3）經模擬分析，V級圍巖條件下，當隧道襯砌設計厚度為50 cm時，如裂縫深度超過225 mm時，其襯砌結構安全系數不滿足規范要求，存在施工風險，應予以重視。

4）應對此類細長裂縫，使用必可法進行處置或整治，可有效將灌注材料注入裂縫最細小的末端中，高效實現隧道襯砌結構一體化恢復。