高速铁路隧道衬砌厚度不足对隧道结构安全性的影响

李乐乐,郝艳广,韩劲龙,雷霆

高速铁路隧道衬砌厚度不足对隧道结构安全性的影响

李乐乐1,2,郝艳广1,2,韩劲龙1,2,雷霆1,2

1. 武汉港湾工程质量检测有限公司, 湖北 武汉 430000 2. 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430000

隧道衬砌厚度局部不足对隧道结构的受力存在很大影响，严重危害到对隧道结构安全。本文以某高速铁路隧道衬砌检测采集数据为背景，采用数值计算模拟对隧道二次衬砌局部厚度不足的隧道结构进行安全状况验算。结果表明：衬隧道衬砌厚度局部不足的影响，导致缺陷处衬砌结构的轴力、弯矩减小，使得缺陷位置衬砌结构的安全性能降低，结构承载能力不足；隧道衬砌局部厚度不足处，随着厚度愈小，缺陷处弯矩、轴力、安全系数愈小，正常处受力有轻微影响，但总体影响相对较弱。同一断面存在多处缺陷较单处缺陷隧道结构的安全系数明显降低，对隧道结构安全影响较大，研究成果可为衬砌厚度不足对隧道结构安全性的影响分析和评价提供参考。

铁路;衬砌; 隧道安全

21世纪以来，我国隧道工程和地下工程高速发展，已成为世界上建设最多、发展最快的国家[1]。我国隧道所处的工程地质水文环境极其复杂，大部分隧道随着运营时间增长基本都存在衬砌缺陷等问题[2]。隧道衬砌结构厚度不足对整个衬砌结构产生不利影响，导致衬砌出现较大的变形、裂缝、渗水等问题，特别严重时会导致隧道结构垮塌等灾害问题，严重影响到运营隧道的安全通行[3]。目前，国内外学者通过理论研究、数值分析、试验模型对衬砌厚度不足缺陷与隧道结构安全进行了研究。如张顶立等[4]通过对100多座铁路运营隧道运用地质雷达探测分析统计表明，隧道衬砌结构厚度不足是一种普遍现象。孙文龙[5]详细研究了毛坪隧道衬砌结构缺陷情况，找出衬砌结构病害形成原因并提出对应加固措施。蒋华龙等[6]通过对隧道衬砌结构受力和结构承载力的研究，分析了隧道衬砌厚度不足对结构产生的影响。王兴波等[7]采用地层结构法，通过对衬砌结构单点厚度不足时对衬砌结构安全性能进行分析。张成平[8]等对衬砌厚度整体或局部厚度不足时，分析衬砌厚度值与衬砌结构安全系数关系。衬砌厚度整体或局部不足会使得缺陷处界面的惯性矩和刚度发生变化，致使隧道衬砌结构整体承载力降低，衬砌结构裂缝更易出现，导致衬砌结构内钢筋锈蚀和衬砌渗水等危害，严重时导致衬砌结构突然断裂并引起塌方等事故[9,10]，大幅缩短了运营隧道正常使用寿命，对人身安全和交通质量构成严重威胁。

本文运用ANSYS软件，按照《TB 10003-2016铁路隧道设计规范》[11]相关规定和提供的隧道结构参数，对深埋条件下某铁路隧道Ⅳ级围岩为研究对象，通过采用荷载结构法，采用多种工况研究衬砌厚度不足缺陷对隧道衬砌结构内力、极限承载力和安全系数随衬砌厚度是否满足隧道结构安全要求，为衬砌厚度不足对隧道结构安全性的影响分析和评价提供参考依据。

1 基于ANSYS的荷载结构法的有限元解法

1.1 荷载结构法

荷载结构法将围岩对结构的作用换算为荷载，直接作用于结构上进行计算。荷载结构法的数值计算采用基本假定如下：（1）将隧道衬砌结构计算视为平面应变问题进行分析；（2）假定衬砌结构为小变形弹性梁，衬砌结构为足够多个离散直梁单元；（3）用弹簧单元模拟围岩与结构之间相互作用，弹簧单元只承受压力，不承受拉力；（4）按照局部变形理论确定弹性抗力。

1.2 ANSYS有限元数值解法

通过ANSYS建立有限元模型，根据标准断面建立隧道衬砌结构几何模型，用梁单元Beam3模拟衬砌。通过计算出围岩压力和衬砌重力为作用荷载，在单元节点上施加径向弹簧模拟围岩和二次衬砌之间的相互作用，设定边墙底端位移边界条件，求解得出衬砌结构的内力弯矩、轴力、剪力值并进行结构安全分析。

2 二次衬砌结构安全性评价方法及指标

根据《铁路隧道设计规范》[11]规定，计算混凝土结构抗压安全系数：

从抗裂要求出发，按式（2）计算混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉安全系数：

钢筋混凝土抗拉检算安全系数：

采用公式(1)-(3)计算二次衬砌厚度局部不足情况截面的安全系数，通过与《铁路隧道设计规范》中查出安全系数的界限值（混凝土抗压强度安全系数应≥2.4；衬砌结构混凝土达到抗拉极限强度安全系数应≥3.6，钢筋抗拉强度安全系数应≥2.0）进行比较，据此判断隧道二次衬砌结构厚度不足情况下的安全状态。

3 数值计算方案设计

根据某铁路隧道地质情况，Ⅳ围岩衬砌承载情况为例，分别计算厚度不足缺陷计算结果。模型参数设定见表1和表2。

表 1 围岩物理力学参数表

表 2 衬砌的物理力学参数表

根据隧道衬砌厚度检测主要有以下7个工况，其中方案1~5针对隧道衬砌厚度1处不足时，研究衬砌结构内力分布、承载力特征及安全系数；方案6~7针对衬砌厚度2处不足时衬砌结构内力分布、承载力特征及安全系数，数值计算方案详见表3。

表3 Ⅳ围岩数值分析模拟方案

表中1~9衬砌厚度位置见图1，分别为拱顶、拱顶左、拱顶右、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙、左仰拱、右仰拱。二衬厚度示意图见图2，荷载—结构模式有限元计算模型见图3。

图1 衬砌测点示意图

图2 衬砌厚度示意图

图 3 有限元计算模型

4 衬砌厚度不足时的结构内力分布及安全系数计算

根据各工况衬砌厚度整体不足时，不同工况衬砌厚度与结构轴力、弯矩之及安全系数。标准工况（工况1）通过计算结果知，弯矩较大值出现在拱顶附近（如A）、拱腰附近（如B）、边墙附近（如C）、仰拱附近（如D处）见图4。

图 4 工况1二次衬砌内力计算结果

根据计算得到的内力，对弯矩较大处进行检验，检验结果见表4。

表 4 混凝土结构安全检算结果

由上表可知，拱顶A和拱腰B为抗拉控制，衬砌抗拉控制安全系数最小为4.24，大于3.6，满足《铁路隧道设计规范》要求，设计标准工况1满足要求。

根据上述方法计算其他工况并将计算结果进行汇总绘制分布规律图见图5。

图 5 二次衬砌内力计算结果分布规律

对单点隧道二次衬砌厚度局部不足进行分析可知，二次衬砌结构局部厚度不足引起的安全系数总体呈下降的情况，当二次衬砌结构厚度不足达到一定程度时，缺陷处二次衬砌结构首先出现安全系数小于抗压强度安全系数规定值(2.4)或抗拉强度安全系数规定值（3.6），导致不能满足《铁路隧道设计规范》要求。

5 衬砌厚度不足时的结构安全状态分析

根据上述7种工况计算结果，分析隧道衬砌厚度不足对隧道结构安全系数变化规律可知：

1）隧道衬砌轴力从拱顶往仰拱方向，轴力呈递增趋势，拱顶处轴力最小，拱腰次之，仰拱处轴力最大。

2）隧道衬砌结构弯矩最大处位于拱顶、左右拱腰、左右边墙位置，属于病害发生敏感部位。

3）根据计算轴向偏心距0和0.2 h比较可知，拱顶、拱腰基本处于偏心状态按抗拉压强度进行验算，边墙、仰拱部位基本处于轴心抗压状态按抗拉压强度进行验算。

4）在衬砌局部厚度逐渐减小的过程中，缺陷部位轴力、弯矩、安全系数基本呈逐渐降低趋势。

5）隧道衬砌厚度同一断面存在多处衬砌厚度不足时，存在多处缺陷比单处缺陷隧道结构的安全系数明显降低，对隧道结构安全影响较大。

6 结论

（1）隧道衬砌厚度不足导致缺陷处衬砌结构的轴力、弯矩减小，降低了隧道衬砌结构缺陷位置的安全性能，致使衬砌结构承载能力降低。

（2）隧道衬砌结构局部厚度不足处厚度愈小，相应的弯矩、轴力、安全系数愈小，缺陷处对隧道衬砌厚度正常处受力有轻微影响，但总体影响相对较弱。

（3）隧道衬砌结构缺陷处安全系数随着隧道衬砌厚度减小而减小，两者基本呈同方向变化，可通过曲线拟合、反演等分析得到隧道二次衬砌安全允许的临界厚度值。

（4）隧道衬砌厚度同一断面存在多处缺陷较单处缺陷隧道结构的安全系数明显降低，对隧道结构安全影响较大。

（5）当前衬砌结构在设计时基本采用等截面形式，拱顶处安全系数最小，在隧道出现厚度不足缺陷时，拱顶最容易出现安全隐患，施工时应加强对拱顶衬砌厚度管理。

（6）隧道衬砌厚度不足导致承载能力不足时应对其进行加固，提高隧道二次衬砌结构承载能力。

[1]洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].隧道建设,2015,36(2):95-107

[2]李尧,付兵先,张千里,等.既有重载铁路隧道底鼓原因及处置措施[J].铁道建筑,2016(12):53-56

[3]关宝树.漫谈矿山法隧道技术第五讲衬砌(一)[J].隧道建设,2016,36(3):251 256

[4]张顶立,张素磊,房倩,等.铁路运营隧道衬砌背后接触状态及其分析[J].岩石力学与工程学报,2013,32(2):217-224

[5]孙文龙.毛坪隧道衬砌缺陷致害机理与加固措施研究田[D].重庆:重庆交通大学,2014

[6]蒋华龙,范厚彬.公路隧道二次衬砌厚度不足成因分析和治理研究[J].城市道桥与防洪,2016(4):113-116,13

[7]王兴波,马龙,李明峰,等.隧道衬砌施工缺陷对结构安全的影响研究田公路交通技术[J].2016,32(2):102-107

[8]张成平,张旭,冯岗,等.衬砌厚度不足对隧道结构安全性的影响分析[J].现代隧道技术,2017,54(2):137-143,169

[9]赵东平,王明年.海底隧道施工缺陷对衬砌安全性影响研究[J].公路,2010(2):198-203

[10]Xiao JZ, Dai FC, Wei YQ,. Cracking Mechanism of Secondary Lining for a Shallow and Asymmetrically-loaded Tunnel in Loose Deposits [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014,43:232-240

[11]中华人民共和国行业标准.铁路隧道设计规范TB10003-2016,J 449-2016[S].北京:中国铁道出版社,2017

The Influence of Insufficient Lining Thickness on the Safety of a High-speed Railway Tunnel

LI Le-le1,2, HAO Yan-guang1,2, HAN Jin-long1,2, LEI Ting1,2

1.430000,2.43000,

Insufficient thickness of the tunnel lining will significantly change its mechanical state and threaten the safety of the tunnel structure. A numerical simulation is conducted to analyze the safety state of tunnel linings under the conditions of integral or local insufficient lining thickness based on a high-speed railway tunnel. The results show that insufficient lining thickness leads to a decrease of the axial force and bending moment on the defective section of the tunnel and an obvious reduction of the ultimate bearing capacity of the tunnel structure, which significantly reduces the safety factor of the tunnel structure at the defective section. Additionally, the internal force, bearing capacity and safety factors of the defective section are strongly influenced by lining thickness lack, while sections far away from the defect are relatively less affected by this. The relationship is linear between the lining thickness and the safety factor of the tunnel structure under the condition of an integral or local insufficient lining thickness, and the critical thickness of the tunnel lining for meeting structural safety requirements is determined by a regression analysis, the research results can provide a reference for the analysis and evaluation of the influence of insufficient lining thickness on the safety of tunnel structures.

Railway; lining; tunnel safety

U25

A

1000-2324(2021)01-0105-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.018

2019-01-24

2019-03-07

二航局课题:富水夹泥石特长TBM隧道施工关键技术研究(JSZX-G-KY-2018-06)

李乐乐(1988-),男,硕士,工程师,主要研究方向:地下工程. E-mail:8244158855@126.com

网络首发:http://www.cnki.net