某隧道明洞衬砌缺陷安全影响分析论文_冯宝才

中铁上海设计院集团有限公司 桥梁隧道设计处 上海 200070

摘要：随着我国基础设施的蓬勃发展，近年来修建了大量铁路隧道，但是施工质量其中不乏有施工质量缺陷的工程。为了验证衬砌缺陷对隧道结构的整体安全性的影响，以某实体隧道工程为依托，根据隧道衬砌质量无损检测结果不满足设计要求的实体工程，建立有限元数值模拟，对隧道二次衬砌缺陷进行安全影响分析，验证隧道结构的安全性及稳定性。结果表明：隧道衬砌安全系数及外边墙稳定性均满足规范要求；明洞衬砌裂缝不需检算。

关键词：隧道明洞；衬砌；缺陷；安全分析

0 引言

随着我国经济的快速发展，基础设施在国家投资建设中占比也越来越大，我国交通运输大通道大动脉已实现基本贯通。但是随着大量工程的建设，隧道的运营安全也越来越受到大家的广泛关注，尤其是铁路隧道中病害严重影响运营安全。根据大量铁路、公路隧道的资料统计，其中大约有１／３的隧道存在着衬砌结构钢筋不足、剥落、脱空和开裂渗漏水等病害，同时由于施工条件、施工方法以及隧道在使用过程中物理、化学等作用的影响，隧道产生衬砌钢筋间距过大，衬砌背后出现脱空，衬砌劣化造成强度不足等病害现象，这些隧道缺陷对隧道的正常运营产生不利影响［２－６］。当隧道衬砌存在类似病害时，隧道将产生较大的变形，不仅影响了隧道的正常使用，还严重影响了隧道的结构安全性。因此针对某实体工程隧道衬砌钢筋间距不足、裂缝的现象进行安全性分析研究具有很大的工程应用参考价值。

1 工程概况

1.1 隧道工程概况

某隧道地处构造剥蚀、溶蚀低中山地貌，时速200km/h（预留250km/h提速条件）客货共线隧道。其中隧道进口段采用V级单压明洞衬砌，衬砌厚度80cm，采用C35钢筋混凝土，主筋HRB400钢筋，间距Φ22@200mm，洞顶填土2m。。此段地层岩性：泥岩、页岩、砂岩；砂岩为深灰色，细粒结构，薄～中层状，泥钙质胶结；页岩灰色，泥质结构，页理发育；泥岩为褐黄色、棕红色，泥质、粉砂泥质结构，块状构造。衬砌断面如图1所示。

图1 隧道衬砌断面示意图

1.2 隧道检测结果

对隧道的二次衬砌结构进行了地质雷达法无损检测。结果显示洞口段存在衬砌钢筋间距(平均间距40cm)不满足设计要求，并由实测回填地面线可知，该段洞顶填土高度1.37~1.76m。为保证结构安全，需对此段衬砌结构进行安全检算。缺陷统计表如表1所示。

2 计算模型及参数的确定

2.1 计算模拟

根据明洞参考图设计文件，明洞衬砌结构按荷载-结构模式进行结构计算，按破损阶段法进行强度校核。本次明洞衬砌结构安全分析采用有限元软件MIDAS-GTS，用梁单元来模拟衬砌结构；明洞内边墙、仰拱位于弹性地基上，用弹簧单元（只受压）来模拟围岩对衬砌的抗力；外边墙按刚性墙计算，采用刚节点来模拟单压明洞外边墙对衬砌的约束作用。根据计算得到衬砌的结构内力，然后检算其安全系数是否满足规范要求；对单压明洞外边墙进行稳定性检算。

根据洞口段实际施工情况，选覆土1.76m、钢筋间距40cm的最不利断面进行计算分析。

2.2 计算模型的建立

采用荷载-结构法建立隧道明洞有限元模型时，假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌离散为足够多个等厚度直杆梁单元。用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为衬砌受到的弹性抗力。

建模时，隧道衬砌采用2节点梁单元模拟；外部土压力直接施加在衬砌结构上。整个模型共有单元134个，节点134个。二维模型如图2所示。对仰拱及边墙部位采用弹簧单元来模拟围岩与衬砌的相互约束；对于左侧边墙部位衬砌采用刚节点来模拟左边墙对明洞的约束作用。

破坏类型大偏心大偏心小偏心小偏心小偏心

从表4可以看出，明洞衬砌拱顶截面受拉控制，最小安全系数为11.91，在《铁路隧道设计规范》（TB10003-2015）要求的范围之内。

2. 单压明洞外墙检算

（1）倾覆稳定

式中：—倾覆稳定系数；—全部垂直力对墙址的稳定力矩；—全部水平力对墙址的倾覆力矩。

（2）滑移稳定

式中：—滑动稳定系数；—作用基底上的垂直力之和；—墙后主动土压力之和；基底摩擦系数。

（3）基底轴向力偏心距

=1.19

（4）墙身截面偏心距

式中：M—计算截面以上各力对截面形心力矩代数和；N—作用截面以上垂直力之和。

对形心截面进行检算可得：

经检算，隧道进口段单压明洞衬砌安全系数及外边墙稳定性均满足规范要求；明洞衬砌裂缝不需检算。

4 结论

1. 单压明洞拱部及内边墙衬砌的安全系数均≥2.4；对外边墙的稳定性进行检算，结果表明外边墙倾覆稳定系数、抗滑移系数及墙身偏心距、墙底合力的偏心距均满足检算规定；表明结构处于安全状态，计算结果满足规范要求。

2. 正常使用极限状态对明洞衬砌裂缝进行检算，结果表明明洞衬砌各单元构件，可不需检算裂缝宽度。

3. 基于检算结果均满足承载力要求，并具有一定的安全储备，该隧道洞口段已经施工完毕，并且竣工后至今未发生任何异常，建议不做处理。

参考文献：

[1]关宝树．隧道工程维修管理要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００４．

[2]刘庭金，朱合华，夏才初，等．云南省连拱隧道衬砌开裂和渗漏水调查结果及分析［Ｊ］．中国公路学报，２００４，１７（２）：６４－６７．

[3]刘庭金，朱合华．偏压连拱隧道病害分析及治理措施［Ｊ］．中国公路学报，２００５，１８（４）：７２－７７．

[4]丁 浩，何林生，郑学贵．隧道结构病害处治数值仿真模拟［Ｊ］．地质与勘探，２００３，３９（增）：１５４－１５７．

[5]朱春生，杨晓华，来弘鹏，等．公路隧道衬砌后空洞对结构安全的影响［Ｊ］．长安大学学报：自然科学版，２０１０，３０（５）：６３－６８．

[6]王亚琼，刘占良，张素磊，等．在役公路隧道素混凝土衬砌裂缝稳定性分析［Ｊ］．中国公路学报，２０１５，２８（７）：７７－８５．

论文作者:冯宝才

论文发表刊物:《防护工程》2019年18期

论文发表时间:2020/1/13

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