病害隧道结构安全性评价模型与方法*

王春景，雷明锋，彭立敏

(1.中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南 长沙 410004;2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

赋存环境复杂、荷载特征不明、设计计算理论存在不足、管理不完善等因素导致隧道结构在建成运营后的较短时间便出现各种程度不同的病害。而隧道病害的存在直接影响了隧道的使用性能，甚至造成行车安全等事故，使得其未达到设计基准期而急需维修，既浪费了大量的社会资源，又造成了极坏的社会影响。因此，开展病害隧道结构的安全性评价模型与方法研究，科学评价隧道结构的健康状态，及时采取有效的整治措施，可以获得巨大的社会经济效益，提高公众的满意度。

自上世纪60～70年代开始，国内外广大科技工作者便开始关注隧道结构病害问题，并开展了相关研究。如钟志雄［1－5］等根据某具体隧道的检测、量测结果，建立有限元模型，计算分析了其结构安全性并推荐了相应的加固方案。王勇［6］利用工程断裂判据，分析了带裂缝衬砌截面的安全性。刘庭金等［7］分别建立了衬砌背后空洞的有限元计算模型，探讨了衬砌背后空洞存在对衬砌结构承载能力的影响规律。刘永华［8］利用荷载－结构模型和实际隧道统计参数，详细探讨了衬砌拱顶存在空洞，衬砌厚度不足，裂缝时的结构可靠性。可见，针对隧道病害时衬砌结构的安全性问题，国内外学者已进行了较多有益探讨，但多数研究成果对带病害隧道结构计算模型的力学机理、建模方法、评估程序缺乏详细系统的说明，总体看来仍需要进一步完善。

为此，笔者根据既有的隧道结构设计理论，基于荷载－结构计算模式，建立了衬砌厚度不足、衬砌背后脱空及材料劣化3种病害结构模型，并给出了工程实例，阐述了其具体应用方法。

1 基于荷载－结构法的隧道病害结构计算模型

1.1 衬砌厚度不足力学模型

衬砌厚度不足是隧道常见的病害，直接造成结构承载能力降低，引起安全事故。力学计算中可简单将模型中梁单元的厚度按照实际衬砌结构的厚度进行计算，如图1，图中H和h分别为衬砌结构设计厚度和实际检测厚度。

图1 衬砌结构厚度不足模型Fig.1 Model of lining thickness deficiency

1.2 材料劣化力学模型

大量实践和检测结果表明，造成隧道结构材料劣化的主要原因有:①隧道建设过程中，未按相关标准规范进行施工，施工质量控制不严，建成后隧道衬砌结构混凝土质量低劣，难以满足设计要求;②隧道运营过程中，受荷载、冰冻、腐蚀性地下水等不利因素的长期作用，导致混凝土材料性能劣化。上述两方面因素的共同作用，不可避免地造成衬砌结构承载能力下降，进而恶化隧道的使用性能。而材料劣化对隧道结构承载能力的影响又主要从以下两方面考虑:一方面引起混凝土材料的强度低于设计强度，导致结构整体承载力不足;另一方面引起结构刚度不足，进而造成结构变形过大，结构承载状态发生变化，甚至产生不利荷载。

考虑到衬砌结构在周围环境侵蚀作用下，材料的损伤规律各异，难以建立统一的材料损伤演化规律，且本文目的在于研究材料劣化对结构承载特征和结构安全系数的影响，为了简便，可以利用简单的强度弱化方法模拟混凝土劣化后的力学性质。也就是，在实际的病害隧道结构承载和安全性计算时，材料劣化病害计算模型的材料弹性模量E和抗拉强度σt、抗压强度σc按照实际病害检测结果选取即可。

1.3 衬砌背后空洞力学模型

施工过程中，控制爆破效果不理想，超欠挖严重，回填不实，运营过程中地下水的长期冲刷等因素均造成衬砌背后不同程度地出现空洞。空洞的存在使得衬砌结构受力不均，产生应力集中现象，从而过早地出现裂缝等病害，极大地恶化隧道的运营环境和使用功能。

描述隧道衬砌背后空洞的特征参数主要包括空洞形状、深度、宽度等，而对于结构－荷载法，仅仅能模拟其二维特性，即衬砌空洞宽度对结构受力的影响。同时，衬砌结构与围岩的相互作用是通过仅受压弹性链杆来模拟。据此，可建立空洞病害条件下，隧道衬砌结构的计算模型，即去掉空洞宽度范围内的围岩压力荷载和弹性链杆支撑，如图2。

图2 衬砌背后空洞计算图式Fig.2 Calculation schema of cavity behind lining

2 衬砌结构安全性验算方法

目前，对于隧道衬砌结构安全性验算，仍主要是依据隧道设计规范进行［9］，即素混凝土截面强度验算公式。本文亦参照该方法进行评估，具体方法不再赘述。

3 蕉溪岭隧道结构安全性评价

3.1 模型的建立

根据蕉溪岭隧道的检测结果，取典型断面K55+083衬砌图为计算对象，该断面存在衬砌厚度欠厚、材料劣化和拱顶局部范围脱空3类病害，因此建模过程中，将前述建立的欠厚病害模型、材料劣化病害模型和衬砌背后脱空病害模型综合考虑，其荷载－结构法计算图式如图3(a)所示。各计算参数参照检测结果和相关规范选取，见表1和表2。为便于比较，同时建立了原设计计算模式图，如图3(b)。

图3 蕉溪岭隧道结构安全性计算模式Fig.3 Structure safety caluculation mode of Jiaoxiling tunnel

荷载按深埋条件计算，参照《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)相关计算方法和公式，分别计算得到:

表1 物理力学计算参数取值Table 1 Physical and mechanical parameters

表2 几何计算参数取值表Table 2 Geometric calculation parameters

3.2 结构安全性评价

通过前述模型的建立(节点编号见图4)，基于有限元界面分别进行了两种模型的数值计算，相应计算结果分别见图5～图7。二次衬砌各截面的安全系数比较见图8。

图4 蕉溪岭隧道结构安全性计算节点编号Fig.4 Node numbering of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

图5 蕉溪岭隧道结构安全性计算轴力图Fig.5 Axial force diagram of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

图6 蕉溪岭隧道结构安全性计算弯矩图Fig.6 Bending moment diagram of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

图7 蕉溪岭隧道结构安全性计算衬砌变形图Fig.7 Deformation diagram of structure safety calculation of Jiaoxiling tunnel

图8 蕉溪岭隧道设计结构与病害结构安全系数比较图Fig.8 Safety factor comparison of desgin and disearse structure of Jiaoxiling tunnel

从上述计算结果分析可知:

(1)原设计结构各项物理指标均表现为对称分布，其分布形式和大小均符合理论预期结果，而病害模型结构的各项物理指标与原设计结构计算结果存在较大差异，表现为典型的非对称性，主要原因为拱顶部位存在空洞，使得衬砌结构承受的荷载大小以及围岩抗力均不对称。可见，隧道结构病害的存在，使得衬砌结构整体刚度和变形分布不对称，从而引起两侧“弹簧”弹性抗力分布不对称，并引起衬砌结构弯矩和轴力分布不对称。

(2)原设计结构安全系数均大于规范允许值，可评定是安全的;而病害结构仅在两侧拱脚部位其安全系数能满足要求，70%左右的截面安全系数已经小于规范允许值，因此结构处于不稳定状态，其承载能力严重不足，极易发生破坏，故需要立即维修加固。

4 结论

(1)隧道结构病害的存在，改变了衬砌结构的整体刚度和整个结构的受力状态，引起衬砌结构弯矩和轴力不对称分布，导致隧道结构受力和变形趋于不利状态。

(2)通过对蕉溪岭隧道实际检测断面的建模分析，其70%左右的截面安全系数均小于规范允许值，故可评定蕉溪岭隧道承载能力严重不足，故需要立即加固维修。

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