基于承载安全的隧道衬砌渗漏水分级评价方法研究*

姚成睿，李 科，江星宏，吴尚东，肖仕来

1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074

2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067

随着我国综合国力的提升，我国的隧道事业取得了跨越式的发展，截至2020年年底，我国既有隧道的数量超过了35000座，里程超过了3700万m。数量庞大的隧道在助力我国经济腾飞的同时，也带来了巨大的运营养护压力。我国早期隧道的施工大多未采取防水措施，导致这些隧道在运营期存在普遍的渗漏水病害。我国有关部门于1997年的调查统计结果显示：在全国运营铁路隧道中存在渗漏水病害的隧道占70%[1]。史娥[2]、谢榆[3]、钭逢光等[4]、邹育麟等[5]学者相继对全国不同地区、不同数量的运营隧道开展了病害调研工作，调研结果发现：样本中近84%的隧道存在不同程度的渗漏水病害。董飞等[6]、吴玉哲等[7]的调研分析则表明：渗漏水现象不仅直接影响隧道的运营安全，还会导致衬砌其他病害的产生。衬砌渗漏水病害普遍存在，危害严重，成为隧道工程人员亟须攻克的难题。目前，针对运营隧道衬砌渗漏水分级评价的问题，杨启航[8]、陈鹏[9]、王华牢等[10]、赵博剑等[11]主要基于模糊综合评价法、分层综合评价法及神经网络等方法展开研究；所构建的衬砌渗漏水分级评价体系往往存在指标量化困难、标准与结构承载安全未关联及方法实际应用复杂等缺点，故有必要对渗漏水病害条件下隧道衬砌结构的承载安全量化指标进行研究，构建一种与衬砌结构承载安全相关联的分级评价标准。

基于此，文章在调研大量国内外规范标准和学者研究论文的基础上，对规范与研究成果中的运营隧道衬砌渗漏水病害的分级评价标准进行了分析及总结，指出了其存在的不足，并通过数值计算的方法对外水压作用下的衬砌承载力学特性进行了分析，确定了运营隧道衬砌渗漏水的量化评价指标，进一步提出了基于承载安全的衬砌渗漏水分级评价标准和病害应对措施。

1 既有隧道渗漏水分级评价方法分析

1.1 既有评价方法调研

文章通过文献调研，将国内外规范标准体系与学者研究成果中关于运营隧道衬砌渗漏水的评价方法汇总如表1所示。从表1中可以看出：（1）既有运营隧道衬砌渗漏水评价指标以衬砌表观渗水状态为主，而渗漏水状态难以定量评价；（2）我国的《公路隧道养护技术规范》（JTG H12—2015）、《铁路工务技术手册——隧道》，以及李鑫[12]和张建伟[13]所提出的分级方法在渗漏水状态的基础上将渗漏水部位与对行车的影响纳入了指标体系，相比于其他规范标准，在对衬砌渗漏水的定性评价方面显得更加全面；（3）既有方法所包含的可量化分级指标仅有pH值，而pH值只体现了渗漏水病害的腐蚀作用，不能综合反映渗漏水病害对衬砌结构承载安全的影响[14-16]；（4）规范与既有研究对衬砌渗漏水状态的分级多基于病害的表观现象，在实际应用中，评价结果易受到评价人员主观判断的影响，因此缺乏可靠性；（5）薛亚东等[17]提出将渗漏水的面积和高宽比作为渗漏水状态的量化标准，然而漏水的面积和高宽比在实际隧道检测难以量测，故实用性不佳；（6）国内外学者的所提出的渗漏水病害评价方法多基于模糊数学法、分层综合法及神经网络法等方法，这些方法原理复杂，难以供隧道运营养护人员使用。

表1 运营隧道衬砌渗漏水的评价方法汇总表

1.2 既有规范与研究成果的不足

文章调研了国内外规范标准中的衬砌渗漏水病害评价指标与标准，以及国内学者在运营隧道衬砌渗漏水病害分级评价系统方面的研究成果，发现既有的规范标准和研究成果存在以下不足。

（1）国内外规范标准对于隧道衬砌渗漏水的分级评价多基于病害表观现象，没有具有说服力的可量化指标。

（2）现行规范标准中的衬砌渗漏水分级评价标准没有将衬砌结构的受力变形状态纳入考量，缺乏与结构承载安全的关联。

（3）国内外学者所提出的隧道衬砌渗漏水的分级评价方法多基于模糊综合法、分层评价法及神经网络等方法，这些方法大多原理复杂，难以供隧道运营养护人员使用。

2 外水压作用下的衬砌承载力学特性数值分析

2.1 数值计算说明

文章拟采用数值计算的方法研究运营隧道衬砌结构在外水压作用下的承载力学特性，计算分析的内容包括Ⅳ、Ⅴ围岩条件下3种不同厚度的隧道衬砌在0～20m逐米增加的外水头作用下的结构安全系数和结构位移分布特性。计算所使用的荷载结构模型如图1所示，相关参数如表2所示。

表2 数值计算相关参数

图1 荷载结构模型示意图

2.2 计算结果分析

（1）结构安全系数分析。在不同围岩级别、不同厚度条件下，衬砌结构安全系数随静水压力的变化情况如图2所示。从图2中可以看出：①隧道衬砌结构的安全系数随外水头高度增加而减小；②同等围岩级别情况下，衬砌厚度越大，衬砌结构各部位的安全系数与衬砌整体安全系数就越大，相同衬砌厚度情况下，围岩条件越好，衬砌结构各部位及衬砌整体的安全系数就越大。

图2 衬砌结构安全系数随水头高度变化情况

（2）结构位移分析。不同围岩条件下，不同厚度的衬砌结构的竖向相对沉降与水平相对收敛随静水压变化情况如图3所示。从图3中可以看出：①不同工况下，隧道衬砌结构的竖向相对沉降与水平相对收敛随外水头高度的增加而增加的规律，但从增量绝对值大小上看，静水压力对衬砌竖向相对沉降的影响远大于水平相对收敛，因此可将竖向相对沉降值视为结构位移增量；②不同工况下，衬砌的竖向相对沉降虽然都随外水头高度的增加而增加，但从曲线斜率上看，沉降明显分为两个阶段，一是在Ⅳ级围岩条件下，衬砌竖向相对沉降在0～11m的外水头高度范围内增加较缓慢，在12m水头高度以后增加较迅速，二是在Ⅴ级围岩条件下，衬砌竖向相对沉降在0～14m的外水头高度范围内增加较缓慢，在14m以上的水头高度增加较迅速；③同等围岩条件下，衬砌厚度越小，其最终沉降量和沉降增量绝对值都越大；④同等厚度的衬砌结构，围岩条件越差，其竖向相对沉降的值越大，但是沉降的增量绝对值越小。

图3 结构位移随水头高度变化情况

3 评价方法研究

对照图2，可得到不同围岩条件、不同衬砌厚度下，隧道衬砌结构在不同安全系数时所对应的外水头高度。以安全系数1.5、2.4和3.3为隧道衬砌结构的承载安全状态评价指标，可得到隧道衬砌承载安全状态评价标准如表3所示。从表3中可以看出：（1）对于安全系数1.5控制标准，外水头高度超30.0m；（2）对于安全系数2.4控制标准，外水头高度为15.0m；（3）对于安全系数3.3控制标准，外水头高度为5m。

表3 隧道衬砌承载安全状态评价标准 单位：mm

表3实质上反映了隧道衬砌在不同承载安全状态下所对应的渗漏水病害特性，而图3则是对不同渗漏水病害特性下衬砌结构位移增量的描述，因此结合表3与图3可以得到隧道衬砌在不同承载安全状态下的结构位移增量，如表4所示。从表4中可以看出：（1）对于安全系数1.5控制标准，结构位移增量约为16.0mm；（2）对于安全系数2.4控制标准，结构位移增量约为6.0mm；（3）对于安全系数3.3控制标准，结构位移增量约为4.0mm。

表4 不同承载安全状态下的结构位移增量 单位：mm

结合表3、表4，以结构整体安全系数与结构位移增量为分级评价指标，可构建基于承载安全的隧道衬砌渗漏水分级评价标准，如表5所示。该标准在理论上与衬砌结构的承载安全状态相关联，在实际应用中其评价指标也易于获得。

表5 基于承载安全的衬砌渗漏水分级评价标准

4 结论

文章围绕运营隧道衬砌渗漏水病害分级评价方法的问题，调研了国内外规范标准中的衬砌渗漏水病害评价指标和标准，通过数值计算，分析了不同围岩级别下，不同厚度的隧道衬砌在外水压力作用下的承载力学特性，得到了如下主要结论。

（1）在外水压力的作用下，当外水头高度达到30.0m时，结构安全系数为1.5，对应的结构竖向相对沉降量为16.0mm；当外水头高度达到15.0m时，结构安全系数为2.4，对应的结构竖向相对沉降量为6.0mm；当外水头高度达到5.0m时，结构安全系数为3.3，对应的结构竖向相对沉降量为4.0mm。

（2）基于承载安全的运营隧道衬砌渗漏水分级评价指标包括结构安全系数与结构位移增量，分级评价标准的几个安全系数限界值为1.5、2.4、3.3，对应的结构竖向相对沉降限界值为16.0mm、6.0mm、4.0mm。