基于隧道检测钢筋分布不均状况下判定衬砌结构安全性应用研究

吴建新

（铁正检测科技有限公司 山东济南 250014）

1 引言

近年来，施工及运营期间隧道内不断出现因混凝土质量，结构受力变形等因素引起的开裂、掉块等质量安全事故，以致各行业监督单位、建设单位以及工程单位对隧道施工质量控制的重视度越来越高，相对应的各类检查越来越频繁，隧道衬砌地质雷达检测作为质量无损检测最适用的一种方法被广泛应用[1-3]。在参与的众多项目隧道工程的衬砌质量地质雷达无损检测工作中，通过对雷达波形的分析判识发现过许多各种类型的缺陷问题，如衬砌厚度不足、初支与二衬间脱空、衬砌背后空洞、钢筋分布不均等[4-8]。检测出的如此多的各类缺陷问题，亟待形成相应的整治处理方案，目前工程单位对欠厚脱空等问题都是通过开窗注浆或凿除等方式整治处理，已有相对成型成熟的方案与规定，但钢筋分布不均即钢筋数量不满足设计要求，尚无何种状况下治理的成熟方案。下面笔者通过隧道实际检测数据分析，应用有限元数值模拟计算分析方法，对衬砌钢筋分布不均段结构安全性进行分析研究。

2 项目概况

2.1 工程概况

某隧道设计时速200 km，设计为9.3‰单面上坡，隧道全长1 500 m，检测段里程为DK96+665～DK96+685，该地段取线均为直线，最大埋深48 m。隧道洞身工程措施见表1，支护参数见表2，隧道洞身一般断面图见图1。

表1 隧道洞身设计工程措施设计参数

表2 隧道衬砌支护设计参数

图1 隧道洞身一般断面图

图2 DK96+665～DK96+685段雷达剖面图

2.2 检测结果与设计对比

通过DK96+665～DK96+685段衬砌质量无损检测，采集到清晰有效的地质雷达数据，经零点校正、背景消除、增益、带通滤波（FIR）、偏移等分析手段，得到处理后的雷达剖面图（见图2）。通过该段图形反映可得衬砌混凝土密实，支护与二衬间密实，厚度满足设计要求，但DK96+677～DK96+685段钢筋分布不均（即钢筋数量不足）（见表3）。该段设计钢筋间距为20 cm，实测钢筋间距35 cm。在无其他缺陷影响的前提下，该段钢筋分布的衬砌结构能否满足受力要求，我们在排除其他缺陷及强度不足等不利因素影响下，采用有限元数值分析法进行模拟计算，对结构安全性进行判定。

表3 钢筋不足情况统计

3 模拟计算

本次采用有限元数值分析法对隧道衬砌结构安全性分析，分析计算时具体用Midas/Gts软件先进行计算，然后根据计算结果结合隧道的整体情况进行隧道的安全性评价[9-12]。

3.1 模型建立

模拟计算过程中，首先根据设计参数中提供的二衬支护钢筋数量的差异，建立有限元分析模型。计算洞身二衬支护钢筋（按实际检测的支护钢筋数量设置）达不到设计要求时二衬支护结构的应力分布，对其进行安全性分析及评价。衬砌钢筋数量达不到设计要求的隧道洞身段有限元计算模型见图3。

图3 钢筋分布不均状况下有限元计算模型

3.2 安全系数计算

安全系数计算方法按照钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件的抗压强度以及抗拉强度计算，具体方法如下:

抗压强度计算公式为:

抗拉强度计算公式为:

式中，R1为混凝土的抗压极限强度；K为安全系数；N为轴向力；b为截面宽度；h为截面厚度；φ为构件纵向弯曲系数，对于贴壁式隧道衬砌、明洞拱圈以及墙背紧密回填的边墙可取1；a为轴向力的偏心影响系数。

3.3 缺陷段数值模拟计算

DK96+677～DK96+685段采用Ⅳb-1型复合式衬砌，二次衬砌内钢筋分布不符合设计（检测到实际间距为35 cm）。计算时，按照实际钢筋间距设置，衬砌厚度按照设计的45 cm设置，经软件模拟计算可得，开挖后衬砌第一主应力计算结果见图4～图6，不同位置处第一主应力结果见表4。

图4 DK96+677～DK96+685段衬砌轴力云图

图5 DK96+677～DK96+685段衬砌弯矩云图

图6 DK96+677～DK96+685段衬砌主应力云图

表4 安全系数成果

通过表4中模拟计算结果可知，模拟衬砌受力代表性分解单元的安全系数为4.57～22.25，均大于4.57。

4 分析总结及探讨

通过检测分析及数值模拟计算分析，得到衬砌结构安全性判定依据，基于以下几方面前提:（1）该段隧道工程地质、水文地质条件较好，围岩稳定，岩体较完整，在施工过程中断面收敛与变形稳定；（2）该段衬砌混凝土试件抗压强度满足设计要求；（3）衬砌施作完成后表面无裂纹及渗漏水现象，外观质量好；（4）通过雷达无损检测，衬砌厚度符合设计要求。

同时存在有几点不确定因素，以供探讨:（1）由于初支二衬早已施作完，背后围岩、地质、水文等情况只能通过工程单位提供围岩产状、设计图纸等资料进行推测；（2）围岩沉降观测记录，混凝土试件强度报告可追溯性、真实性有待考证，慎重考虑可钻芯取样测定抗压强度值；（3）在二衬表面进行地质雷达检测，由于仪器设备的局限性，二衬厚度相对真实地检测出来，但初支厚度并不能完全真实反映；（4）二衬外观质量好并不代表变形一定稳定，谨慎期间应另埋设观测点进行一段时期监测。

5 结论

本次在充分利用检测数据的基础上，结合该段隧道有限元数值模拟计算结果，按照隧道设计规范中关于钢筋混凝土结构的安全系数的规定，二次衬砌钢筋间距未满足设计要求的区段，在未考虑其他不利因素作用的条件下，衬砌结构数值计算结果表明其受力后安全系数满足规范要求，因此可以判定隧道结构整体安全。