基于铁路隧道二次衬砌钢筋间距超标问题的分析

何明峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)

Based Railway Tunnel Lining Reinforcement Spacing Over the Issue of Secondary Analysis

HE Mingfeng

基于铁路隧道二次衬砌钢筋间距超标问题的分析

何明峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

Based Railway Tunnel Lining Reinforcement Spacing Over the Issue of Secondary Analysis

HE Mingfeng

摘要基于实际工程中铁路隧道二次衬砌钢筋间距超标问题，结合实例，通过对承载结构的检算分析，确定隧道结构的安全使用状态，判断是否进行拆除返工处理。

关键词铁路隧道衬砌钢筋间距超标

1概述

某铁路隧道上覆第四系全新统坡崩积相粉质黏土、碎石土，坡洪积相粉质黏土，冲洪积相松软土、细圆砾土、卵石土、漂石土，坡残积相粉质黏土，下伏基岩为三迭系中统砂岩、泥岩互层。该隧道265-277段围岩级别及设计参数如表1。

表1　设计参数

施工完毕后，按照相关要求，在拱顶、左右拱腰、左右边墙和左右侧隧底中线共计布置了7条测线，采用地质雷达法对隧道衬砌施工质量进行了检测，265-277段拱墙雷达图像情况如图1。

图1　地质雷达检测图像

雷达图像分析揭示，265-277段12 m范围内拱墙钢筋间距超标，钢筋间距平均约40 cm，不满足设计要求。通过对右边墙位置进行破检揭示，钢筋实际间距与无损检测结果相符。

针对钢筋间距超标问题，对该段隧道二次衬砌结构进行必要的检算分析，判定隧道结构是否处于安全状态，如果处于安全状态，则可避免拆除返工处理。

2隧道深埋与浅埋的判定

隧道深埋与浅埋的判定应按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素按式(1)综合判定

(1)

式中Hp——浅埋隧道分界深度/m；

hq——荷载等效高度/m，按下式计算

式中q——深埋隧道垂直压力/(kN/m2)；

γ——围岩容重/(kN/m3)。

矿山法施工条件下，Ⅳ-Ⅵ级围岩取Hp=2.5hq。

经计算后可知，IVB围岩双线隧道深浅埋临界埋深为17.7 m，265-277段隧道埋深103 m，隧道衬砌结构处于深埋状态。

3隧道深埋条件围岩压力计算方法

计算深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其垂直及水平均布压力可按下列规定确定。

垂直均布压力按式(2)计算确定

q=γh

(2)

式中Hp——浅埋隧道分界深度/m；

γ——围岩容重/(kN/m3)；

q——垂直均布压力/(kN/m2)；

h——荷载等效高度/m；

s——围岩级别；

ω——宽度影响系数，ω=1+i (B-5)；

B——隧道最大开挖跨度，应考虑超挖影响/m；

i-B每增减1 m时的围岩压力增减值，以B=5 m的隧道围岩垂直均布压力为准，当B<5 m时取i=0.2，当B>5 m时取i=0.1。

水平均布压力可按表2确定。

表2　围岩水平均布压力

4围岩压力分配比例

采用荷载结构模式计算时，考虑到隧道开挖引起的荷载释放和初期支护、二次衬砌间的分配，根据《铁路工程设计技术手册(隧道)》和通常做法，二次衬砌承担的荷载Ⅱ、Ⅲ级围岩取计算荷载的30%加载；Ⅳ级围岩取计算荷载的50%加载，Ⅴ级围岩取计算荷载的70%加载。

深埋条件主要荷载即围岩垂直压力和围岩水平压力分布见图2。

图2　深埋条件主要荷载作用示意

《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)规定，混凝土和钢筋混凝土结构的强度安全系数如表3、表4。

根据表3和表4，在二次衬砌混凝土结构检算时，由于采用主要荷载组合，如果衬砌结构混凝土达到抗压极限强度(即混凝土抗压强度控制)，检算安全系数应≥2.4；如果衬砌结构混凝土达到抗拉极限强度(即混凝土抗裂强度控制)，检算安全系数应≥3.6；如果衬砌结构钢筋达到抗拉极限强度(即钢筋抗拉强度控制)，检算安全系数应≥2.0。

表3　混凝土和砌体结构的强度安全系数

表4　钢筋混凝土结构的强度安全系数

5安全评定标准

应用破损阶段法对二次衬砌结构进行安全检算。首先对二衬结构按素混凝土衬砌对抗压强度、抗裂要求的抗拉强度进行检算，当不满足规范要求时，再以钢筋混凝土界面强度进行衬砌结构检算。

6素混凝土结构抗压强度检算

二次衬砌安全性评价将混凝土结构视为压弯构件，抗压安全系数按式(3)计算

(3)

式中K——混凝土的抗压安全系数；

Ra——混凝土的极限抗压强度；

N——混凝土的截面的计算轴力；

b——混凝土的截面宽度，取单位长度1 m；

h——混凝土的截面厚度；

φ——构件的纵向弯曲系数；

α——轴向力的偏心影响系数，按《铁路隧道设计规范》取值。

7钢筋混凝土结构强度检算

根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)第11.2.10条规定：钢筋混凝土矩形截面的大偏心受压构件(x≤0.55h0)，其截面强度应按式(4)计算

(4)

式中K——安全系数；

N——轴向力；

b——截面的宽度/m；

h——截面的高度/m；

h0——截面的有效高度/m，h0=h-a；

Rw——混凝土的弯曲抗压极限强度；

Ra——混凝土的抗压极限强度；

Rg——钢筋的抗拉或抗压计算强度；

根据《铁路隧道设计规范》第11.2.11条规定：钢筋混凝土矩形截面的小偏心受压构件(x>0.55h0)，其截面强度应按式(5)计算

(5)

8计算模型及计算方法

根据施工图设计文件，隧道结构设计原则为：根据现行《铁路隧道设计规范》的围岩级别划分，考虑隧道埋深，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，通过工程类比确定衬砌支护参数。计算复合式衬砌时，初期支护按主要承载结构考虑，二次衬砌在Ⅱ、Ⅲ级围岩可作为安全储备，在Ⅳ、Ⅴ级围岩为承载结构。

本次隧道二次衬砌结构安全评估分析采用有限元软件ANSYS，用梁单元Beam3来模拟衬砌结构，用弹簧单元Link10(只受压)来模拟初期支护对二次衬砌的抗力。对用弹簧单元外部施加固定约束，对梁单元施加荷载，计算得到二次衬砌的结构内力，然后检算其安全系数是否满足规范要求。材料参数按《铁路隧道设计规范》选取，如表5。

表5　材料参数

计算工况见表1，计算荷载见表6。

表6　计算荷载

隧道荷载—结构模式有限元计算模型见图3。

图3　有限元计算模型

二次衬砌厚度如表7。

计算结果如图4和图5。由计算结果可知，弯矩较大值出现在拱顶(A)、左右拱腰(B、B′)、左右墙角(C、C′)和左右侧仰拱(D、D′)处。

表7　二次衬砌厚度

图4　弯矩(单位：N·m)

图5　轴力(单位：N)

依据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)，对二次衬砌混凝土结构进行检算，检算结果如表8。

由表8可以看出，当衬砌结构混凝土达到抗压极限强度(即混凝土抗压强度控制)，检算安全系数最小为12.65，均≥2.4，表明结构处于安全状态；当衬砌结构混凝土达到抗拉极限强度(即混凝土抗拉强度控制)，检算安全系数最小为5.13，均≥3.6，表明结构处于安全状态；当衬砌结构钢筋达到抗拉极限强度(即钢筋抗拉强度控制)，检算安全系数最小8.75，均≥2.0，表明结构处于安全状态。

表8　二次衬砌控制截面上安全系数

根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)10.5.5条规定，单侧纵向钢筋的最小配筋率为0.2%，对于φ18的钢筋，当间距大于28 cm后，配筋就不能满足最小配筋率的要求。

9结论

通过对衬砌结构的检算分析，混凝土抗压控制最小安全系数为12.65；混凝土抗拉控制最小安全系数为5.13，钢筋抗拉控制最小安全系数为8.75，满足承载性能要求。且该隧道265-277段衬砌段落施工完毕至今，监控观测未发生任何异常，因此建议不进行拆除返工处理。

在隧道衬砌结构检测中，发现不满足设计要求的质量问题时，通过对承载结构进行必要的检算分析，判定承载结构的安全使用状态，如果处于安全状态，则可避免拆除或返工处理，同时在某种程度上可解决工期和处理费用问题。

参考文献

[1]TB 10003—2005铁路隧道设计规范[S]

[2]TB10223—2004铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S]

[3]TB10013—2010铁路工程物理勘探规程[S]

[4]TB10753—2010高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S]

[5]国际隧道协会.隧道风险管理指南 [S](Guide lines for Tunnel ling Risk Management)，2004

[6]曾昭发.探地雷达原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2010

[7]葛增超.土木工程中常见目标体的地质雷达图谱特征[J].后勤工程学院报，2005(2)

中图分类号：U452

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)04-0101-04

作者简介：何明峰(1984—)，男，2010年毕业于西南交通大学，工学硕士，工程师。

收稿日期：2015-03-18