隧道二次衬砌裂损成因分析与评估

2015-06-01舒中文

铁道建筑 2015年8期

关键词：基座安全系数围岩

舒中文，马悦

(1．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730030;2．西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031)

隧道二次衬砌裂损成因分析与评估

舒中文1，马悦2

(1．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730030;2．西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031)

对石壁桥隧道二次衬砌裂损状况进行了全面的调查，综合工程地质条件、施工等因素，定性分析了衬砌裂损成因，初步推测隧道二次衬砌裂损与围岩下部基座软弱有关，并进一步采用二维弹塑性有限元分析方法对衬砌结构安全性进行评估。文章从理论及数值分析上解释了该隧道衬砌裂损产生的机理，其结果与现场实际相吻合。

隧道衬砌裂损成因数值模拟评估

随着我国交通运输事业的发展，铁路隧道通车里程急剧增长，但由于工程地质条件、设计施工、运营及维修管理等方面的原因，隧道病害问题日益突出［1-5］。而衬砌裂损是其中最普遍且对隧道运营影响最大的病害，衬砌开裂破坏隧道结构的整体性，降低衬砌结构的安全储备，也为其他病害的发生和发展提供了先决条件。初砌裂损会缩短铁路隧道的使用寿命，导致巨大的经济损失。

本文结合既有线石壁桥隧道运营阶段出现的二次衬砌裂损问题，通过详细调绘和无损检测以及定性、定量分析，对致裂原因进行研究，为同类隧道衬砌裂损的分析评估、病害治理提供参考和支持。

1 工程概况

该隧道全长837 m，隧道进口里程DK14+440，出口里程DK15+288，最大埋深约62.8 m。隧道位于直线段上，纵坡3‰。区域地面高程1 090～1 150 m，相对高差60 m，地形起伏较大。区域大地构造单元属山西台背斜，为北东向单斜构造，隧址处地层为寒武系中统石灰岩、寒武系下统泥岩。区域为典型的半干旱大陆性气候，降雨稀少，多年平均降雨量410 mm，年蒸发量2 577.2 mm，为降水量的6.3倍，干旱年份可达14倍。地震动反应谱特征周期为0.35 s，动峰值加速度0.15g，设防烈度为Ⅵ度。

2 衬砌裂损特征及评定

2.1 衬砌裂损特征

据隧道二次衬砌开裂调查结果，本文按走向将其分为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝3种［6］，裂缝多分布在隧道出口段和中段。

1)纵向裂缝:基本分布在边墙中下部，延伸长0.5～5.0 m，局部长达14 m，裂缝发育宽度1～5 mm，共43处，占裂缝总数的38%。走向与隧道轴线基本平行，其危害性最大。

2)环向裂缝:多自边墙中下部延伸至拱脚，少数沿着施工缝发育的横向裂缝横跨拱顶和边墙，共42处，占裂缝总数的37%。走向与隧道轴线垂直，危害性较小。

3)斜向裂缝也有一定发育，多伴随纵向、横向裂缝，形成树枝状裂缝，共28处，占裂缝总数的25%。一般和隧道纵轴呈30°～45°夹角，其危害性仅次于纵向裂缝。

2.2 隧道衬砌裂缝评定

目前隧道衬砌裂缝评定标准有定性评定标准、定量评定标准及定性和定量相结合的评定标准。对于铁路隧道，目前只有定量评定标准及定性和定量相结合的评定标准［6-7］，评定依据为裂缝长度与宽度。

综合上述评定标准中对隧道裂缝等级的划分方法，本隧道裂缝评定情况详见表1。本隧道裂损等级主要为B类，应加强监测，视衬砌裂损发展情况，必要时采取措施。

3 衬砌裂损成因的定性分析

3.1 地层结构因素分析

该隧道围岩为典型的二元结构:上部以厚层灰岩为主，局部为薄层灰岩和泥岩互层，岩质坚硬;下部为紫红色泥岩夹砂岩，岩质较软，局部可见薄层灰岩，未见层底。

表1 石壁桥隧道裂损情况评定

隧道衬砌与下伏砂、泥岩共同承担上覆灰岩的荷载。由于衬砌与砂、泥岩在强度、弹性模量等参数差异较大，导致二者受力变形不协调。在长期运营过程中，由于泥岩的低渗透性，降雨期雨水在此受到阻碍滞留，泥岩受滞水浸泡软化，导致强度大幅降低，衬砌所承担的荷载进一步加大，导致衬砌所受应力超出其承载极限而发生破坏，产生裂缝。同时由于在岩层分界处产生应力集中，进一步加重了衬砌的破坏速度。

考虑到软弱基座的特殊工程性质，推测隧道衬砌裂损与此软弱基座有关。

3.2 地下水因素分析

该隧道上覆灰岩，垂向裂隙极其发育，贯通性较好，水平方向裂隙较少且连通性差，影响了含水层的发育及相互间的水力联系。

区域地下水储量微小，补给量小，流通条件差，故地下水的动静压作用对隧道衬砌的影响可以忽略。

3.3 施工因素分析

该隧道施工完成后，针对隧道衬砌厚度及强度、背后脱空及不密实、衬砌钢筋及钢拱架分布等情况进行了无损检测，检测结果表明，施工方完全按照设计要求施工，质量良好。

4 衬砌裂损数值模拟分析

4.1 隧道模型

根据上述成因理论分析表明，软弱基座的存在可能是导致隧道产生裂缝的主要原因。本次有限元模拟采用MIDAS/GTS软件，以隧道出口段为例，进行无软弱基座(M1)与有软弱基座(M2)两种工况的模拟。对比二者模拟结果，确定软弱基座的存在是否是产生裂缝的主要原因。同时进行围岩软化工况下的模拟(M3)，以分析后续运营过程中，泥岩遇水软化后，隧道衬砌的变形与安全性。

根据隧道尺寸、支护参数和地层情况，建立二维平面模型，二次衬砌单元模型及编号如图1所示。模型上部埋深取25 m;隧道两侧边界取为洞跨的3倍，即为30 m，垂直向下取45 m。模型边界条件:左右边界为水平方向约束，底边界为全约束，重力加速度取10 m/s2。

图1 二次衬砌单元模型及编号

4.2 计算参数

隧道围岩为二维平面单元，本构模型为 Mohr-Coulomb模型;混凝土和锚杆采用线单元，本构模型为线弹性模型。计算中采用的力学参数见表2。

表2 材料参数

4.3 计算结果分析

1)模型内力分析

通过模拟分析，对于无软弱基座工况(M1)，衬砌轴力最大值(583 kN)，分布在边墙中上部，最小值(111 kN)位于仰拱中部。当隧道围岩出现软弱层(M2)时，衬砌轴力进行了重分布:衬砌轴力明显增大，仰拱部位轴力相对增大，拱顶部位轴力相对减小，衬砌轴力最大值(1 100 kN)、最小值(378 kN)均出现在边墙中下部。当砂泥岩层软化，强度降低后，这种重分布现象更为显著。

对于无软弱基座工况(M1)，衬砌的最大正、负弯矩(正弯矩7.51 kN·m;负弯矩－22.1 kN·m)均发生在边墙中下部。当隧道围岩出现软弱层(M2)时，衬砌弯矩明显增大，衬砌单元弯矩最大值(72.5 kN·m)、最小值(－47.1 kN·m)发生在边墙中部，位置相对上移。当砂泥岩层软化，强度降低后，这种重分布现象更为显著。

2)衬砌强度安全系数计算

为分析岩体参数对其安全性的影响，根据上述内力结果计算衬砌结构的安全系数，对衬砌的安全性能进行检验。根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)［8］隧道和明洞按破损阶段检算构件截面强度时，结构在不同荷载组合下选用安全系数的规定:受抗压极限强度控制时，安全系数取为2.4;受抗拉极限强度控制时，安全系数取为3.6。

当由抗压强度控制承载能力时，即e＜0.2h时

当由抗拉强度控制承载能力时，即e＞0.2h时

式中:K为安全系数;N为轴向力;φ为构件的纵向弯曲系数，隧道衬砌取1.0;R1为混凝土的抗拉极限强度;Ra为混凝土极限抗压强度;a为轴向力的偏心影响系数;b为截面的宽度;h为截面的厚度;e0为截面偏心距。

采用以上公式，对隧道衬砌单元的安全系数进行了计算，根据计算结果统计了三组模型的安全系数，并给出了超限单元位置示意图，见图2。

图2 超限单元位置示意

根据隧道衬砌单元计算结果，隧道围岩在不考虑软弱基座时，衬砌单元受抗压强度控制，安全系数远大于2.4，不会出现裂缝，结构处于安全状态。当考虑软弱基座时，在软硬岩体接触面下方，部分衬砌单元的强度由抗拉强度控制，其平均安全系数为1.36，衬砌表面会出现裂缝，但裂缝尚未贯通，裂缝产生区域位于软硬岩体接触面以下。当下伏软弱岩体力学参数进一步降低时，接触面周边衬砌单元超限情况增多，衬砌裂损区域加大，其平均安全系数为1.95，甚至少量衬砌单元安全系数＜1，逐渐产生贯通性裂缝，可能导致衬砌发生破坏。