衬砌脱空对现役隧道结构安全性影响研究

傅鹤林，陈琛，张加兵，谢芳

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.新余学院，江西 新余 338000)



衬砌脱空对现役隧道结构安全性影响研究

傅鹤林1，陈琛1，张加兵1，谢芳2

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.新余学院，江西 新余 338000)

摘要：针对衬砌拱顶、左拱腰和右拱腰脱空组合工况，基于荷载-结构法平面计算分析模型，通过设置不同的脱空范围，分析衬砌脱空对在役隧道结构安全性的影响规律。研究结果表明：隧道衬砌各脱空位置相互之间的影响很小，对隧道整体的安全性影响不大；而脱空范围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，特别是当脱空范围大于20°时，在围岩荷载作用下，衬砌结构将很快出现开裂、剥落等严重病害，直至完全丧失承载能力或退出正常使用状态。最后，针对不同缺陷情况，提出了相应的处治措施。

关键词：在役隧道；衬砌脱空；脱空位置；脱空范围；安全性影响

随着我国隧道建设的不断发展，隧道的总延长不断增加。我国大陆2014年底运营铁路隧道15 280座，总长14 733.93 km。截止至2013年底，我国大陆有公路隧道11 359座，总长9 605.6 km；地下铁道运营里程约300 km[2]。目前，我国隧道正进入“高维修”管理期[3]，隧道病害对在役隧道的运营安全的影响越来越被大家所重视。衬砌背后空洞是比较严重的病害之一，根据对我国广东梅汕铁路公司103座隧道的无损检测，测线长34.4 km。其中衬砌背后存在空洞长度占测线总长的7.8%[4]。宁波11座国省道公路隧道无损检测后，共查出169处衬砌背后空洞。衬砌背后空洞占所总检测隧道长度的11.3%[5]。宋瑞刚等[4]对100余座铁路运营隧道进行衬砌无损检测工作和评估工作，得到衬砌背后接触松散和空洞段隧道长度占检测总长度的比例高达11.56%。空洞的存在将严重影响衬砌与围岩间的相互作用，导致衬砌结构承载不均匀并产生应力集中现象，致使二次衬砌极易开裂，进而引起渗漏水、冻害和钢筋锈蚀等一系列危害，还可能诱发围岩松弛或失稳脱落，严重时会发生突发性崩塌事故，使得隧道的维修保养周期和使用寿命显著缩短，并对交通质量和人员生命安全构成严重威胁。为此广大科技工作者采用不同技术手段，对隧道衬砌脱空的成因分析[4,6-8]、影响分析[9-12]和整治措施[2-3,6-8]等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。为进一步明确衬砌脱空对在役隧道结构安全性的影响，笔者基于衬砌脱空的荷载-结构法，针对不同脱空范围、不同脱空位置和不同脱空组合形式开展具体计算研究，以揭示其对隧道结构安全性的影响规律。

1隧道荷载-结构法计算机理

荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载(包括主动地层压力和被动地层抗力)，衬砌在荷载的作用下产生内力和变形，与其相应的计算方法称为荷载结构法。这一方法计算衬砌内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，在保证衬砌结构能安全可靠的承受地层压力等荷载的作用下，采用局部变形理论( 即温克尔假定) 考虑地层约束作用。将地层可以看成由无限多个各自孤立的弹簧构成，地层变化即相当于弹簧压缩，弹簧常数即相当于弹性压缩系数。按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行衬砌截面荷载计算。

荷载结构法是目前隧道结构设计比较通用的方法,采用荷载结构法计算时,根据工程实际按深埋条件，参照《铁道隧道设计规范》构建计算模型。Ⅱ～Ⅲ级围岩二次衬砌作为安全储备，按承受围岩荷载的30% 检算；Ⅳ～Ⅴ级围岩二次衬砌作为承载结构，分别按承受围岩荷载的50%～70% 检算，得出荷载与结构安全系数。

1.1浅埋隧道围岩压力计算

1.1.1求浅埋隧道分界深度

由《铁路隧道设计规范》可知：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。

HP=(2～2.5)hq

(1)

式中：Hp为浅埋隧道分界深度，m；hq为荷载等效高度，m。按式(1)～(2)计算:

(2)

式中：q为用式(4)～(5)计算出的深埋隧道垂直压力，kN/m3；γ为围岩容重，kN/m3；

在矿山法施工的条件下，IV～VI级围岩取：

Hp=2.5hq

(3)

q=γh

(4)

h=0.45×2s-1ω

(5)

式中：q为垂直均布压力，kN/m2；h为荷载等效高度，m；γ为围岩容重，kN/m3；s为围岩级别；ω为宽度影响系数；ω=1+i(B-5)；B为隧道最大开挖跨度，应考虑超挖影响，m；i为B每增减1 m时的围岩压力增减率，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。

比较隧道覆土厚度与临界深度以确定最危险截面，从而验算隧道二衬承载能力。

1.1.2按浅埋计算围岩压力

竖直压力：

(6)

(7)

(8)

式中：B为隧道开挖宽度，m；λ为侧压力系数；θ为顶板土柱两侧破裂面摩擦角，(°)，取经验值，无实测资料时可按表1采用。

表1　各级围岩的θ值

侧向压力

ei=γhiλ

(9)

式中：hi为内外侧任意点到地面的距离，m。

1.2深埋隧道围岩压力计算

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

竖直压力：

q=γ·h=γ×0.45×2S-1×ω

(10)

侧压力：

水平匀布压力可按下式计算确定。

e=λ·q

(11)

2计算模型

根据某隧道工程实际参数，在脱空部位不加抗力弹簧，以拱顶、左拱腰和右拱腰脱空范围25°为例，建立荷载-结构法计算模型如图1所示。根据不同的分析工况选用对应的几何与力学参数。材料物理力学参数见表1，衬砌为45 cm厚的等厚截面，荷载根据工程实际按深埋条件计算，参照式(1)～(11)相关计算方法和公式，计算得到：

竖向均布荷载q=104.13 kN/m，水平均布荷载e=31.24 kN/m。隧道衬砌的计算工况见表2。

图1　计算模型Fig.1 Design model

材料参数名称参数值Ⅳ级围岩容重γ/(kN·m-3)弹性抗力K/(MPa·m-1)21.5350二次衬砌容重γ/(kN·m-3)弹性模量E/GPa泊松比μ23300.2

表3　计算工况

3衬砌脱空对隧道结构安全性的影响

根据传统的设计观念，早期修建的铁路隧道，尤其是传统矿山法施工的铁路隧道，通常采用“先拱后墙法”施工，当拱部施工完成后开挖下部时，容易引起拱部结构产生下沉，造成己经成型的拱部衬砌结构与围岩产生脱离，从而产生衬砌背后空洞。再者，由于施工质量控制和隧道围岩的复杂多变，隧道施工过程中难免存在超欠挖，而后期未回填、回填不实或者运营养护不良，则衬砌背后将出现不同程度的脱空情况。在空间结构分析中，衬砌背后脱空参数包括脱空范围、脱空高度和脱空位置。对于荷载一结构法计算模型，无法反映脱空高度，同时，通常隧道的脱空大部分出现在拱顶和拱腰部位。因此，仅对隧道脱空位置和脱空范围的情况进行具体研究。

在研究不同脱空位置和脱空范围对隧道结构安全性的影响时考虑到大部分隧道脱空出现在拱顶或包含拱顶的工程实际，脱空位置设计均考虑了拱顶脱空，包括拱顶脱空、拱顶和右拱腰脱空以及拱顶、左拱腰和右拱腰脱空3种组合工况。在此基础上，分别考虑脱空范围为0°，5°，15°，20°，25°，35°和45°共7种情况。计算结果见图2～4。

图2　拱顶脱空情况下不同脱空范围结构安全系数Fig.2 Range of different void of structure safety factor in vault void case

图3　拱顶和右拱腰脱空情况下不同脱空范围结构安全系数Fig.3 Range of different void of structure safety factor in the vault and the right spandrel void case

图4　拱顶、左拱腰和右拱腰脱空情况下不同脱空范围结构安全系数Fig.4 Range of different void of structure safety factor in the vault,lift haunch and right arch waist cavity case

从图中分析可得:

1)对3种工况整体分析，脱空范围在15°及其以下时，隧道衬砌结构各截面安全系数分布较均匀，分布曲线较为平缓，而当脱空宽度大于15°时，随着脱空范围的增大，各截面安全系数分布离散性越来越大，大部分范围的截面安全系数下降很快或者说危险截面的百分比大幅增加(见图5)，安全系数小于规范安全系数3.6，不能满足安全运营的要求。

图5　衬砌结构整体危险截面百分比Fig.5 Percentage of overall risk section of lining Structure

2)对比图2～4可以看出，在荷载-结构法计算模式下，衬砌脱空位置对结构整体安全系数分布的影响范围有限，基本上呈现出一个规律，即拱顶脱空只影响拱顶截面的安全性，拱腰脱空也基本只影响拱腰截面的安全性，相互之间影响很小。

3)衬砌结构整体的安全性可以用衬砌各截面最小安全系数表征，在脱空0°～5°范围内，随着脱空范围的增大，衬砌结构各截面最小安全系数快速增大；在5°～15°范围内，增速减慢；过了15°后，最小安全系数先急速下降，最后趋于平稳，见图6。初步分析其原因为，当脱空较小时，衬砌结构的整体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，脱空部位弯矩减小，因此，衬砌结构的最小安全系数有所增加；当脱空范围进一步增大时，围岩的约束作用发生了显著的改变，衬砌结构的受力和变形状态产生明显变化，主要体现在脱空部位由正弯矩变成了负弯矩，破坏模式由原来的受压破坏演变成为受拉破坏，最小安全系数急剧减小。

图6　衬砌结构整体最小安全系数Fig.6 Percentage of overall risk section of lining structure

综合上述分析可知，隧道衬砌脱空位置对结构的安全性能相互之间影响很小，对隧道整体的安全性(用最小安全系数表征)影响也不大，主要影响的是隧道衬砌结构整体的危险截面百分比，而脱空范围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，特别是当脱空范围大于20°时，衬砌结构部分截面将失去应有的承载能力，严重影响结构的长期运营安全。

4隧道衬砌缺陷处理措施

根据衬砌背后空洞的主要破坏形式，隧道衬砌缺陷处理的措施主要为：防止围岩松弛的扩大，控制作用在衬砌上地压的增加；恢复均质的地层反力，恢复衬砌的承载力；提高止水效果，防止渗水、结冰；增强衬砌厚度和强度，防止衬砌开裂。本工程衬砌缺陷涉及拱顶初支与防水板脱空、拱顶厚度不足和拱腰厚度不足3种情况，虽然检算的结果结构是安全的，但是从隧道长期安全运营的角度，建议对二次衬砌脱空和初支和防水板脱空的里程段采用相应的处理措施。

1)根据实际检测结果，对于二次衬砌脱空现象，对衬砌结构的整体受力和防水不利，在长期运营运营条件下存在安全隐患，建议对该隧道这2个里程段进行注浆补强，控制注浆压力不大于0.5 MPa。

2)对于初期支护和防水层以及防水层和二次衬砌之间均存在脱空，建议采用注浆补强可能会导致防水层局部破裂，影响隧道的防水效果，建议自起拱线以上凿除重做，重新铺设防水板注意防水板搭接问题，以保证隧道的长期运营安全，见图7。

(a)横断面图；(b)DK402+033～DK402+038里程段缺陷范图7　凿除重做段说明示意图Fig.7 Sketch map of the chisel in addition to the rework section

5结论

1)隧道衬砌各脱空位置相互之间的影响很小，对隧道整体的安全性影响也不大，主要影响的是隧道衬砌结构整体的危险截面百分比。

2)脱空范围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，特别是当脱空范围大于20°时，衬砌结构部分截面将失去应有的承载能力,当衬砌结构承载力改变时，会引起其他的隧道病害，例如：空洞使衬砌破损，进而起层、掉块，这些情况对隧道安全性及使用性影响较大。

3)通过荷载-结构法仅对隧道衬砌后出现空洞的情况作出分析，而对隧道衬砌中出现渗水、破碎、多空洞出现等情况尚未考虑，在综合现役隧道衬砌影响因素后，有关隧道支护安全性评价需要更深入的研究。

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(编辑阳丽霞)

Research about cavity lining impact on structural safety for tunnel in service

FU Helin1, CHEN Chen1, ZHANG Jiabing1, XIE Fang2

(1.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China;2.Xinyu University, Xinyu 338000, China)

Abstract:For the combination conditions of void lining behind vault, left and right arch arch waist,, , the influence law of cavity lining impact on structural security for active tunnel was investigated by building the plane analysis model of load-structure method setting different void scope. The results of the research show that the mutual impact between each void position of tunnel lining is very small. In addition, the influence on the overall safety of the tunnel is not great. The tunnel lining stress and deformation state is changed with void scope ranging , and the safety of lining structure is greatly affected. Especially when the void range is larger than 20 degrees, lining structure will soon appear serious diseases such as cracking, exfoliation and so on, until loss of carrying capacity completely or withdraw from the normal state, under the action of surrounding rock mass. Finally, according to the different defects, the appropriate treatment measures are put forward.

Key words：active tunnel；cavity lining；void position；void range；safety influence

中图分类号：U45

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)03-0517-06

通讯作者：傅鹤林(1965-)，男，江西高安人，教授，从事岩土与地下工程教学与科研工作；E-mail:517336864@qq.com

基金项目：国家自然科学重点基金资助项目(51538009/E080506);国家自然科学基金资助项目(51578500/E080506)

收稿日期：2015-08-24