隧道二衬结构安全性评估及改进方案

田岳松

(广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006)

1 概述

隧道工程在国民经济建设中发挥着不可替代的作用，隧道二衬结构既承担隧道荷载，又起到装饰作用，正可谓内实外华。二衬结构检测是隧道施工验收的重要内容，是确保隧道安全运营的重要保障。

隧道二衬结构安全性检测多使用地质雷达。地质雷达通过高频电磁波进行扫描，当电磁波遇到不均匀介质时，其反射系数会发生变化，进而达到识别目标物的目的。然而，地质雷达检测仅能探测出二衬结构是否密实，或有无钢筋缺失，难以查明结构受力情况。

一些专家对隧道二衬结构安全性进行相关研究，并提出相应的改进措施。崔蓬勃等针对膨胀力对运营期间隧道二次衬砌结构影响进行研究[1]；余永康等应用数值模拟方法对隧道二衬作用效应及分担比进行研究[2-3]；胡庆龙等研究隧道衬砌缺陷问题，并提出钢筋混凝土套衬整治方案[4]；常伟学等研究隧道二衬施工钢筋间距问题[5-6]；李忠凯等在管棚的设计与施工方法、管棚支护的力学机理、实际工程数值模拟等方面做了大量研究[7-9]；李崇威等总结了二次衬砌的机械配置在二次混凝土浇筑过程中的作用以及施工中的关键技术[10-11]；王吉成研究高铁隧道二衬顶拱带模注浆孔的布置、注浆要求、注浆材料性能等[12]；尹承红等结合大瑞铁路隧道二衬拱顶防脱空施工技术，介绍了隧道二衬拱顶防脱空施工工艺及方法，总结了施工经验[13]；刘振青等研究了高性能混凝土在隧道二衬结构中的应用[14]；谭贤君等对寒区隧道二衬混凝土冬季施工温控技术进行研究，为类似工程安全、快速实施提供借鉴[15]。

以上学者主要针对于不同环向钢筋间距、二衬顶部脱空、二衬内单层钢筋条件下二衬结构的安全性问题进行研究，但是其并未涉及较长段隧道二衬钢筋全部缺失情况，以下采用ANSYS建模对二衬结构进行模拟，综合考虑钢筋缺失情况、围岩类型、隧道埋深、拱墙厚度等因素，得出隧道断面各部分的轴力图、弯矩图，再运用破损阶段法计算出各部分的抗拉抗压安全系数，从而判断出隧道二衬是否安全。

2 工程概况

2.1 隧道概况

石家庄某隧道直线段处为Ⅳ级、Ⅴ级围岩，该地段为单斜构造，节理裂隙较发育，给施工带来较大难度。采用钢格栅φ6.5@150 mm钢筋网片及C25网喷混凝土进行初期支护，竖井钢格栅四角设置I22a工字钢斜撑进行加强，二衬采用C35模筑混凝土。隧道状况如图1。

图1 某隧道直线段状况

2.2 地质概况

石家庄地区属于华北地块一级大地构造单元，为相对稳定地块。隧道采用暗挖及明挖两种方式开挖，全长约5 495.7 m，未见地下水。其中，DK26+039～DK26+500段处于安山岩地层，为Ⅳ级围岩，浅灰色，弱风化，岩体较完整，呈块石状镶嵌结构。存在二衬缺陷的段落有3段，也处于安山岩地层，分别为:DK28+400～DK30+560、DK30+698～DK31+000、DK45+035～DK45+055，均为Ⅴ级围岩，灰紫色、灰绿色，强风化，节理裂隙发育，呈破碎状结构。

3 结构荷载计算

3.1 评估依据

基于破损阶段法理论，以二衬结构破坏时受力情况为根据，综合考虑材料的塑性性能并引入抗拉抗压安全系数，依据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，矿山法隧道应采用曲墙式衬砌，并宜采用复合式衬砌。计算复合式衬砌时，初期支护应按主要承载结构计算，二次衬砌在Ⅳ级、Ⅴ级围岩情况下，宜按承载结构设计。

3.2 计算公式

(1)隧道深浅埋的划分

划分隧道深埋与浅埋时，有

（3）如果容量为1MW及其以上的发电机定子绕组和引出线出现短路，需要装设纵联差动保护。其保护配置作为发电机内部短路的主要保护，能及时、灵敏地切除内部所发生的故障，确保动作的选择性与工作的安全性。

Hp=(2～2.5)hq

(1)

(2)

式中：Hp为浅埋隧道分界深度；hq为荷载等效高度；q为深埋隧道垂直压力；γ为围岩容重。

令Hp取最大值，经计算，4段隧道Hp分别为7.095 m、15.323 m、15.323 m、9.903 m，而此4段隧道实际埋深均超20 m，故判别为深埋隧道。

(2)深埋围岩压力计算

围岩垂直均布压力为

q=γh=0.45×2s-1ωγ

(3)

式中，s为围岩级别；ω为宽度影响系数；B为隧道最大开挖跨度，应考虑超挖影响。

隧道二衬荷载承载能力有一定范围，A段(DK26+039～DK26+500)无结构缺陷，二衬荷载分担比例取最大值；其余3段存在钢筋缺失，二衬荷载分担比例取最小值(见表1、表2)。

表1 围岩水平均布压力

表2 二衬再分配比例系数及垂直水平荷载

①偏心受压结构抗压强度为

K1N≤φαRabh

(4)

式中：Ra为混凝土抗压极限强度；K1为抗压安全系数；b为截面的宽度；h为截面厚度；α为轴向力偏心影响系数。

②偏心受压结构抗拉强度为

(5)

式中：Rl为混凝土的抗拉极限强度；e0为截面偏心距；K2为抗拉安全系数。

4 二衬钢筋缺失结构安全性评估

4.1 参数选取和模型建立

通过无破损检测，表明隧道正洞DK26+039～DK26+500段钢筋信号正常，DK28+400～DK300+560、DK30+698～DK31+000和DK45+035～DK45+055段拱顶无明显钢筋信号，其结构参数见表3～表5。基于隧道安全考虑，对上述4段二衬结构进行内力分析。

表3 各里程段衬砌设计参数

表4 围岩物理力学计算参数

表5 C35混凝土物理力学计算参数

应用AutoCAD软件，按照相应尺寸取点k1～k40连线模拟隧道断面，再导入ANSYS软件。Beam3为对称单元，等截面二衬采用Beam3单元，非对称截面采用Beam54单元；二衬选用C35参数；根据围岩级别不同选用对应的地层弹性约束(弹性模量、泊松比)。根据二衬截面具体受力状况加载，进行后处理得出弯矩、轴力(如图3)及具体数值(见表6～表8)。进一步计算出抗压抗拉安全系数，与抗压强度规范安全系数2.4、抗拉强度规范安全系数3.6进行比较，得出结构安全评估结论。

表6 DK26+039～DK26+500段结构安全性计算结果

表7 DK28+400～DK300+560段结构安全性计算结果

表8 二衬结构安全性评估结果

图2 二次衬砌内力计算结果

4.2 二衬结构安全性评估

无缺陷段DK26+039～DK26+500具体建模及计算过程如图3所示。

图3 Ⅳb型复合式衬砌断面设计( 单位：cm)

根据上述弯矩值、轴力值求偏心距，有

e0=M/N

(6)

①e0/h>0.2时，属于抗拉控制，有

Nu=min(1×a×Ra×b×h/1 000(1×1.75×R1×h×b)/(6×e0/h-1)/1 000)；抗拉安全系数=Nu/N>3.6，满足要求。

②e0/h<0.2时，属于抗压控制，有

抗压安全系数=Nu/N>2.4，满足要求。

5 改进方案

钢筋缺失会对隧道结构安全造成较大威胁。由表7可知，DK28+400～DK300+560段钢筋缺失，抗拉安全系数不满足需求，存在极大安全隐患，必须进行安全改造。对于较长段隧道二衬钢筋缺失情况，可以凿除二衬，确保伸出钢筋搭接长度合格，消除松散的混凝土，清理开凿面使其干净整洁并做凿毛处理，然后完成排水系统的修补，最后浇筑混凝土。经过二次验收，各段隧道均已满足结构安全验收标准，结构承载力满足要求，达到预期效果。

6 结论

通过ANSYS有限元分析，运用破损阶段法计算得出的各段隧道数据结果与第三方地质雷达无损检测结果相符，该评估方案相较其他方案，能更直观展现出二衬结构的受力状态；引入安全系数较其他复核方案更准确地分析二衬结构的安全性。全断面钢筋在承载力极限范围内，均正常工作。拱部钢筋缺失造成二衬结构不能达到安全标准，抗拉控制安全系数降低均超过70%，承载力不能满足隧道二衬承载力要求。必须做好包括凿除二衬、添加钢筋等的补强措施以保证二衬结构安全。