京承铁路21号隧道病害检测与安全评估

刘兰利

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 工程概况

京承铁路21号隧道为1936年修建的旧京承铁路的一部分，至今已使用了70多年。隧道位于上板城—承德站区间，距承德站约4 km，全长188 m，承德方向位于半径为400 m的曲线上，洞内坡度为2.5‰，北京方向位于直线上，洞内坡度为5.7‰。隧道断面为马蹄形，衬砌变截面，厚度从拱顶0.40 m增大至墙脚0.73 m。隧道工程位置出露地层为元古界震旦系下统(Z1)的白云岩，灰色，隐晶质结构，薄～中层状构造，进口段0～+50 m和出口段+168～+188 m为Ⅳ级围岩，洞身段+50～+168为Ⅲ级围岩。由于隧道设计及建造时期的标准与现行标准相差较大，加之多年的使用和解放战争时期遭受火灾，衬砌发生多处裂缝、渗漏水甚至破碎掉块等病害。

2 隧道病害检测

由于隧道已运营很久，现隧道衬砌出现开裂、错台、破损、渗漏水和冬季挂冰等病害。为保证隧道现阶段的安全性，首先对既有隧道衬砌病害的现状、地形地质情况等进行全面调查，然后进行全面的检测，并根据检测成果对隧道的安全性进行评估。

2.1 检测内容及方法

1)采用观测和尺量法查明衬砌裂缝位置、长度、宽度，表面破损位置、面积、深度，渗漏水情况。

2)采用超声波法探查衬砌裂缝的深度。

3)采用地质雷达方法探查隧道衬砌厚度，钢筋钢架分布，衬砌背后不密实及空洞的位置、规模。

4)采用超声回弹综合法检测隧道衬砌混凝土强度。

2.2 检测结果

1)隧道衬砌裂缝检测

隧道全长范围内主要有环向裂缝75条、纵向裂缝14条及斜向裂缝4条。从数量上看绝大部分为环向裂缝，纵向和斜向裂缝均较少。环向裂缝长度＞13 m的有12条，且裂缝宽度较大(1～20 mm)，多为自左墙脚经拱顶至右墙脚的贯穿型裂缝，这些裂缝降低了隧道纵向刚度。其它环向裂缝大多长度不大(一般裂缝长度为3～7 m)，裂缝宽度也较小。由于隧道为地下线状结构物，根据经验可知，这些小的环向裂缝对结构的稳定性影响不大。

在18条纵、斜向裂缝中，较长的纵向裂缝有4条。最长的纵向裂缝长度为22 m，位于进洞口附近的左边墙上。其它纵、斜向裂缝长度一般为2～7 m，宽度基本上在0.5～2.0 mm，大多分布于墙脚以上2.5 m左右的边墙上，但在衬砌拱腰和拱脚处也各有1条纵向裂缝。由于纵向裂缝会降低隧道横截面的承载能力，因此对于纵向裂缝应该引起足够的重视。

采用超声波法对隧道衬砌主要裂缝的深度进行测量，共测量裂缝20条，裂缝深度一般13～30 cm，属中等偏大裂缝。

2)隧道破损和渗漏水

隧道拱部局部段发生衬砌掉块，面积不大。隧道渗漏水主要集中在隧道进出口段和隧道内+80～+130范围内，冬季有挂冰现象。渗漏水主要受大气降水和地下水的影响。隧道的局部破损和渗漏水大多集中在裂缝处。

3)地质雷达检测

本次地质雷达检测隧道共布置测线5条，拱顶1条、拱腰2条、边墙2条。拱顶和拱腰检测是利用轨道车作为工作平台。经检测隧道衬砌局部存在厚度不足情况，但衬砌厚度一般均＞35 cm。在隧道衬砌中未发现钢筋，但在进洞口5～80 m的两侧边墙处有加固边墙用的钢轨拱架，间距1.0 m左右。隧道衬砌边墙及拱顶背后均有多处围岩不密实或存在空洞、围岩中积水等病害。

4)衬砌混凝土强度检测

由于既有隧道运输繁忙，天窗点较少，所以超声回弹法测区布置在隧道的左右边墙上。在隧道左右边墙上每5～10 m布设一个测区，整个隧道共布置了55个测区。根据超声回弹综合法测试的回弹值和波速值进行数据处理、修正及计算，得到测区测定强度值为16～28 MPa，平均实测强度推算值为24.8 MPa，计算时隧道衬砌混凝土按C20考虑。

2.3 需重点分析的隧道病害

隧道多处存在裂缝，裂缝走向以环向缝居多，边墙及拱腰有部分纵向裂缝。进口段衬砌拱脚处有长短不一的错台、局部有破损掉块现象。衬砌右边墙、左拱腰以及拱顶均发现有空洞积水区。此外裂缝较宽的环向裂缝处有渗漏水的现象。根据调查和检测结果，下列两种病害将对隧道结构产生重大影响，须进行重点分析:

1)衬砌背后存在空洞时对隧道结构安全性的影响。

2)隧道衬砌存在纵向裂缝时对隧道结构安全性的影响。

3 隧道状态安全性检算

由于隧道病害类型、位置、规模不同，对隧道安全性的影响也不相同，因此需研究衬砌在深埋荷载作用下的受力状态，根据病害(开裂、背后空洞)之后衬砌的受力状态来评价现阶段隧道的安全性。隧道由围岩和结构共同组成，围岩既是荷载的来源，又与结构共同构成承载体系。结构的功能主要是加固和支撑围岩、维护和发挥围岩自身的承载和稳定能力。根据设计规范应用有限元法并采用荷载—结构计算模式对隧道安全性进行检算。

3.1 隧道计算荷载确定

根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)，深埋围岩压力按松散压力考虑(侧压力系数取0.15)，其荷载模式及节点编号如图1、图2所示。

图2 节点编号

3.2 不考虑衬砌病害情况

在图1的荷载作用下，不考虑隧道破损时，其衬砌内力分布如图3所示。

图3 不考虑破损时衬砌内力

分别计算隧道二次衬砌各个位置的内力及安全系数，计算结果表明:在不考虑隧道衬砌病害情况下，其受力最不利位置为拱顶(15～17号节点)。拱顶处的轴力值为－198 kN(受压)，弯矩值为57.2 kN·m，安全系数只有2.1，受拉控制，安全系数小于规范要求值。衬砌最大轴力和弯矩均在左右墙脚处，分别为592 kN和104.4 kN·m，但是由于墙脚处衬砌厚0.73 m(较厚)，墙脚处安全系数仍然较高。

由此可见隧道衬砌轴力值较小而弯矩值较大，衬砌最不利位置在隧道拱顶。

3.3 衬砌背后有空洞的情况

根据地质雷达检测结果，既有隧道边墙、拱腰和拱顶二衬背后均存在空洞，分别对这3种空洞分布进行了分析(由于荷载的对称性，只计算右侧背后有空洞的情况)。由于空洞使得衬砌变形后不会受到围岩的约束反力，因此对结构受力是不利的。分别对边墙背后空洞(环向长度2.0 m)、拱腰背后空洞(环向长度1.5 m)和拱顶背后空洞(环向长度1.5 m)3种类型进行分析，结果见表1。

表1 隧道衬砌背后空洞引起的安全系数变化

从表1可知，当衬砌背后与围岩之间存在空洞时，空洞处衬砌结构的内力增大，安全系数减小。比较空洞存在于隧道衬砌边墙、拱腰及拱顶3种情况，边墙背后存在空洞时结构的受力最为不利，拱腰次之，在侧压较小的情况下范围较小的拱顶空洞对衬砌整体受力影响不显著。

总的来说，隧道边墙背后存在空洞时，衬砌拱顶和有空洞的侧边墙安全系数均小于规范要求值，其它情况时拱顶的安全系数也小于规范要求值。

3.4 衬砌有纵向开裂的情况

根据裂缝检测结果，纵向裂缝病害主要分布在边墙和拱脚处，当衬砌开裂后，在荷载作用下开裂的部分不能承受弯矩，其截面有效抗弯刚度会降低。分别选取左边墙裂缝(+103 m断面附近，位于左边墙以上1.5 m处裂缝深25.91 cm)和右拱脚裂缝(+184 m断面附近，裂缝深24.11 cm)2种裂缝分布情况对隧道安全性进行检算，纵向裂缝引起的完全系数变化见表2。

由表2可知，在左边墙(影响范围为5～7号节点)或右拱脚(影响范围为21～24号节点)衬砌开裂时，会导致病害处的衬砌安全系数降低。与衬砌完好时相比，左边墙的安全系数减小67%，右拱脚的安全系数减小49%。但是由于侧压力相对较小，衬砌开裂处截面剪应力不大，最小安全系数仍可达6.8，剪应力也满足规范要求。

隧道衬砌开裂主要发生在边墙及拱脚处，通过安全性检算可知，边墙及拱脚处衬砌开裂后，裂缝附近区域内衬砌安全性均有一定程度的降低，但由于边墙及拱脚处衬砌原有安全系数较高，因此开裂后该部位的安全系数仍能满足规范要求。

表2 隧道纵向裂缝引起的安全系数变化

4 结论

1)通过对京承铁路21号隧道不考虑衬砌病害和考虑衬砌背后有空洞、衬砌有纵向开裂等病害时的安全性检算可知，在深埋围岩荷载作用下，衬砌拱顶安全系数不满足规范要求，但是由于最小安全系数＞2，因此目前尚可维持运营。

2)当衬砌背后与围岩之间存在空洞时，受空洞影响的区域，衬砌结构安全性均有不同程度的降低。相比较而言，衬砌边墙背后存在空洞对结构的影响最为不利。计算结果表明，当边墙背后有＞2 m的空洞时，可导致边墙处衬砌受拉，安全系数减小至3.0，受拉控制，不满足规范要求。

3)隧道衬砌开裂将导致裂缝附近衬砌安全系数降低，但本隧道衬砌开裂主要发生在边墙及拱脚处，这些部位原有安全储备较高，因此开裂后边墙及拱脚处衬砌安全性仍能满足规范要求。

4)由于既有隧道已运营多年且病害严重，经稳定性检算其安全系数不满足规范要求，只是尚可维持运营，且存在安全隐患，为保证既有隧道的运营安全，建议对既有隧道衬砌背后不密实、空洞和不小于2 mm环向裂缝及不小于1 mm的纵向裂缝等隧道病害进行注浆加固。

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