运营公路隧道病害对衬砌结构安全性的影响＊

李 彬，雷明锋，李文华

(1.长沙理工大学 校办产业处，湖南 长沙 410076;2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

运营公路隧道病害对衬砌结构安全性的影响＊

李 彬1，雷明锋2，李文华2

(1.长沙理工大学 校办产业处，湖南 长沙 410076;2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

针对常见的隧道混凝土材料劣化、衬砌厚度不足及背后脱空3类病害，基于荷载－结构平面分析模型，通过设置不同病害程度等级，分析运营公路隧道病害对衬砌结构的安全性影响规律。研究结果认为:(1)衬砌结构截面最小安全系数随混凝土材料劣化呈同比例线性下降，以发生劣化的局部位置最为显著;(2)衬砌结构厚度不足直接降低了结构截面刚度，欠厚部位安全性能随之下降;(3)衬砌背后脱空改变了结构受力和变形模式，对结构的安全性能影响最大，特别是当脱空范围大于2 m时，在围岩荷载作用下，衬砌结构将很快出现开裂、剥落等严重结构型病害，直至完全丧失承载能力或退出正常使用状态。

公路隧道;结构病害;材料劣化;厚度不足;背后脱空;安全性影响

隧道病害一直是困扰国内外线路运营管理部门的一大难题。据有关资料报道，日本的病害隧道占其总数的65%，前西德的病害隧道占47%，意大利、前苏联等欧洲国家也有数量不等、严重程度不同的病害隧道。我国隧道病害也十分普遍，据不完全统计，在1997年底建成的5 000余座铁路运营隧道中，因各种病害失格的隧道为3 270座，占隧道总数的65%，每年用于病害整治和隧道维护的费用巨大，不仅浪费了大量的人力物力，而且对线路的正常安全运行造成了相当大的干扰，社会负面影响极大。

为此广大科技工作者采用不同技术手段，对隧道病害的成因分析［1－4］、评价方法［5－10］和整治措施［1，4，11］等方面开展了大量的理论研究和工程实践工作，取得了丰富的研究成果。如在隧道病害分类问题上，取得了较为一致的认识，认为隧道病害的类型主要有水害、冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀等，且一般不是单独存在的，而是相互影响，相互作用，其长期作用使隧道结构的稳定性造成不同程度的破坏，安全可靠性降低，最终导致衬砌结构失稳破坏，严重危及行车安全。

王春景等［9］基于结构 －荷载法隧道计算理论，建立了隧道衬砌结构厚度不足、材料劣化及背后空洞3种病害结构计算模型，阐述了病害隧道结构安全性评价的具体方法。为进一步明确运营公路隧道各类病害对衬砌结构承载能力的影响，笔者基于上述文献中所建立的隧道结构病害模型，针对不同病害类型、不同病害程度开展具体计算研究，以揭示其对隧道结构安全性的影响规律。

图1 分析基准模型Fig.1 Reference model for analysis

1 分析模型

根据文献［9］所述计算方法，建立本文的分析基准模型如图1。实际计算过程中，根据不同的分析工况选用对应的几何、力学参数。基准模型(即无结构病害模型)的物理力学参数见表1，衬砌为45 cm厚的等厚截面，荷载按深埋条件计算，参照《公路隧道设计规范》(JTG D70 －2004)［12］相关计算方法和公式，分别计算得到:竖向荷载q=109.56 kN/m;水平荷载e=16.43 kN/m。根据分析目的设计的计算工况见表2。值得说明的是，表2中的病害程度是指材料参数在参照值的基础上降低的程度，如劣化程度为20%时，则是指材料参数在基准值的基础上降低20%，余同。

表1 物理力学计算参数Table 1 Physical and mechanical parameters

表2 分析工况Table 2 Analysis cases

2 材料劣化对衬砌安全性的影响

施工过程中质量控制不严，运营过程中赋存环境的侵蚀都会造成隧道衬砌结构材料力学性能随时间逐步降低，当降低到一定程度时，其承载能力将不能满足结构安全使用的要求，导致工程事故的出现。而材料劣化程度可采用统一的材料力学参数降低的方法来实现，劣化范围可通过考虑在一定范围内的衬砌单元材料力学参数的降低来实现。分别建立了衬砌结构材料全局劣化模型和局部劣化模型，综合不同特征参数的排列组合，共计算了25个不同劣化程度和劣化范围工况。

2.1 全局劣化对隧道结构安全性的影响

图2为不同劣化程度时各截面安全系数分布，图3为劣化程度与衬砌结构最小安全系数的关系。从中可见:

(1)随着材料劣化程度的降低，衬砌结构截面最小安全系数随之呈线性减小，结构安全系数逐渐低于规范允许值，结构承载能力逐渐减小，衬砌结构趋于不安全状态。

(2)进一步分析发现，结构截面最小安全系数的降低速率与材料劣化程度呈同比例关系。这与计算模型有关，本文采用的是荷载－结构模型，其荷载和边界条件是一定的，而所有材料特性均按弹性考虑，且没有考虑其高阶几何非线性，因此为一几何和材料均为线弹性关系的模型。

图2 全局劣化各截面安全系数分布图Fig.2 Distribution of each section safety factor with overall degradation

图3 全局劣化衬砌结构最小安全系数Fig.3 The minimum safety coefficient of lining structure with overall degradation

2.2 局部劣化对隧道结构安全性的影响

局部劣化对结构安全性的影响分析包括两方面内容，一是劣化范围不变，不同劣化程度对结构安全性的影响分析;二是劣化程度不变，不同劣化范围对结构安全性的影响分析。由于结构的对称性，仅选取拱顶和一侧拱腰进行计算分析。

(1)局部劣化程度对结构安全性的影响分析。计算结果参见图4～图6。从中分析可得:

1)与全局劣化相比，局部劣化时，其安全系数仅在劣化的局部发生变化，而其他部位不变。

2)拱顶材料局部劣化时，各截面最小安全系数随劣化程度呈曲线变化，而拱腰劣化时，各截面最小安全系数随劣化程度呈线性变化，与全局劣化变化趋势一致，分析其原因主要有两方面:一方面是所建立的模型为荷载－结构模型，未能考虑高阶几何非线性所引起的衬砌结构内力重分布，因此，无论是局部劣化还是全局劣化，结构的内力分布基本不变;另一方面衬砌结构仅按弹性材料考虑，而选取的隧道设计结构在拱顶部位有较大的安全储备，因此对于拱顶的轻度局部劣化，不影响整个结构的最小安全系数大小。

图4 拱顶局部劣化各截面安全系数分布图Fig.4 Distribution of each section safety factor with crown degradation

图5 拱腰局部劣化各截面安全系数分布图Fig.5 Distribution of each section safety factor with hance degradation

(2)局部劣化范围对结构安全性的影响分析。计算结果参见图7。从图中可见:由于本计算采用的是几何和材料均为线弹性模型，故无论结构的劣化范围如何改变，其计算内力均变化微小，因此当劣化程度一定时，各截面安全系数及最小安全系数并不随劣化范围的改变而变化。

图6 局部劣化衬砌结构最小安全系数Fig.6 The minimum safety coefficient of lining structure with local position degradation

图7 拱顶/拱腰局部不同劣化范围时各截面安全系数Fig.7 Distribution of each section safety factor with different degrading scope on crown and hance

3 衬砌欠厚对结构安全性的影响

平面结构衬砌厚度不足可利用病害实际厚度、实际衬砌厚度和厚度不足范围3个参数来表征，为简化起见，将病害位置简化为拱顶和两侧拱腰3个特征位置，同时考虑到模型的对称性，仅选取一侧拱腰进行具体分析。综合各特征参数，共计算了20个工况。

3.1 欠厚程度对结构安全性的影响分析

计算结果见图8～图10。从图中可见:

(1)相比较于材料劣化对结构的安全影响，衬砌厚度不足其影响范围更大，不仅是欠厚局部安全系数降低，在欠厚相邻位置同样存在不同程度的降低，但降低幅度不大。说明衬砌厚度不足比材料劣化更直接地降低了结构刚度，对衬砌的安全性影响更大。

(2)当拱顶衬砌厚度减薄至参照厚度的60%时，衬砌结构截面安全系数急剧线性下降，而拱腰衬砌厚度不足程度与衬砌截面安全系数基本上呈线性减小。

图8 拱顶局部欠厚时各截面安全系数分布图Fig.8 Distribution of each section safety factor with insufficient thickness on crown

3.2 欠厚范围对结构安全性的影响分析

计算结果见图11～图13。从图中可见:

(1)当衬砌结构局部范围厚度不足时，其安全系数仅在欠厚范围内下降，而对其他部位基本无影响。

(2)衬砌结构最小安全系数随拱顶欠厚范围的增大而呈曲线减小;而拱腰欠厚情况，在欠厚大于0.5 m宽后，衬砌结构的最小安全系数保持不变，主要原因为与所选取的参照设计有关。

图9 拱腰局部欠厚时各截面安全系数分布图Fig.9 Distribution of each section safety factor with insufficient thickness on hance

图10 局部欠厚程度与衬砌结构最小安全系数的关系图Fig.10 Relation between the minimum safety factor of lining structure and degree of insufficient thickness at local position

图11 拱顶局部欠厚范围不同时各截面安全系数分布图Fig.11 Distribution of each section safety factor with different insufficient thickness scope on crown

4 衬砌脱空对结构安全性的影响

由于施工控制和施工工艺以及隧道围岩的复杂多变，隧道施工过程中难免存在超欠挖，而后期回填不实或者未回填，则衬砌背后将出现不同程度的空洞情况。在空间结构分析中，衬砌背后空洞参数包括空洞宽度、空洞高度和空洞位置。对于荷载－结构模型，无法反映空洞的深度，同时通常隧道的空洞大部分出现在拱顶部位。因此，仅对隧道顶部出现不同宽度的空洞情况进行具体研究。计算结果见图14～图15。

图12 拱腰局部不同欠厚范围时各截面安全系数分布图Fig.12 Distribution of each section safety factor with different insufficient thickness scope on hance

图13 局部欠厚范围与衬砌结构最小安全系数的关系图Fig.13 Relation between the minimum safety factor of lining structure and insufficient thickness scope at local position

图14 拱顶不同脱空宽度时各截面安全系数分布图Fig.14 Distribution of each section safety factor with different cavity wide behind lining on crown

从图中分析可得:

(1)脱空宽度在1.0 m及其以下时，隧道衬砌结构各截面安全系数分布较均匀，而当脱空宽度大于1.0 m时，各截面安全系数分布离散性很大，尤其当脱空宽度大于2.0 m时，拱肩至拱顶大部分范围的截面安全系数均下降很快，不能满足安全运营的要求。

图15 拱顶脱空宽度与衬砌结构最小安全系数的关系图Fig.15 Relation between the minimum safety factor of lining structure and cavity wide behind lining on crown

(2)拱顶脱空的存在改变了衬砌结构的受力状态，相比于材料劣化和衬砌厚度不足2类病害，其影响范围更大。

(3)随着脱空宽度的增大，衬砌结构各截面最小安全系数先逐渐增大，尔后线性急速下降。初步分析其原因为，当脱空较小时，衬砌结构的受力和变形模式变化不大，但由于隧道衬砌结构所受到的外力减小了，因此，截面的最小安全系数有所增加;当脱空范围进一步增大时，围岩的约束作用改变了，衬砌结构的受力和变形状态产生明显变化，拱顶部位出现负弯矩，破坏形式由原来的受压破坏发展成为受拉破坏，最小安全系数急剧减小。

综合上述分析可知，隧道衬砌背后脱空主要改变了隧道衬砌结构受力和变形状态，对衬砌结构的安全性影响极大，特别是当空洞宽度大于2.0 m时，衬砌结构将失去应有的承载能力，无法保证结构的长期安全运营。

5 结论

(1)随着材料劣化程度的降低，衬砌结构截面最小安全系数随之呈同比例线性下降，而安全系数减小的范围与劣化范围有关，材料劣化的局部位置，截面安全系数下降明显。

(2)衬砌结构局部范围厚度不足直接减小了结构截面刚度，其安全系数随之减小，亦主要发生在欠厚局部位置。

(3)隧道衬砌背后脱空主要改变了隧道衬砌结构受力和变形状态，相对于其他2类病害，对衬砌结构的安全性影响最大，特别是当空洞宽度大于2.0 m时，衬砌结构将失去应有的承载能力。

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Safety influence of operating highway tunnel caused by sturcture disease

LI Bin1，LEI Ming-feng2，LI Wen-hua2

(1.School－ run Industry Department，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China;2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Safety influence of operating road tunnel caused by 3 types of structure diseases，such as material degradation of tunnel concrete，insufficient thickness of lining and cavity behind lining，was studied systematically based on structure－load plane analysis model.The results show:(1)the minimum safety factor of lining structure section declines linearly with concrete degrading，especially the degrading local position;(2)structure stiffness decreases directly because of insufficient thickness of lining，and the safety performance of insufficient position declines too;(3)mode of stress and strain is changed because of the existence of cavity behind lining which is the maximum influence factor，especially，if the cavity scope exceeds 2 m.Acted by surrounding rock load，serious structure disease will appear on the lining structure including cracking and spalling till to lose its bearing capacity completely or out of normal service condition.

road tunnel;structure disease;material degradation;insufficient thickness;cavity behind lining;safety influence

U457.2

A

1672－7029(2011)05－0040－06

2011－08－25

国家重点基础研究发展计划资助项目(973:2011CB013802);铁道部科技研究开发计划重大课题(2009G005－E;2008G025－C);湖南省研究生创新基金项目(CX2010B094)

李 彬(1964－)，男，湖南邵阳人，高级工程师，从事土木工程施工与管理方面的工作