隧道衬砌质量缺陷结构安全性检算与评估

曹 君

(常州市轨道交通发展有限公司，江苏 常州 213022)

隧道衬砌质量缺陷结构安全性检算与评估

曹 君

(常州市轨道交通发展有限公司，江苏 常州 213022)

针对某隧道施工中存在的衬砌质量缺陷，按围岩等级、设计厚度等检算条件将其分为四类，并对一、二、三、四类都分别设置三种工况，以二衬设计厚度为工况1，二衬拱腰实测厚度最小值为工况2，二衬拱顶一侧实测厚度最小值为工况3分别进行检算、对比分析，从而评估确定结构的安全性。

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1 衬砌质量缺陷分类

1.1 检算分类

考虑到缺陷埋深情况都为深埋，根据深埋隧道外荷载的计算方法，可根据围岩等级、设计厚度等检算条件将其分为四类，对一、二、三、四类都分别设置三种工况，以二衬设计厚度为工况1，二衬拱腰实测厚度最小值为工况2，二衬拱顶一侧实测厚度最小值为工况3分别进行检算、对比分析(见表1)。

表1 质量缺陷分类及工况

1.2 隧道衬砌检算资料说明

1)第一类隧道衬砌检算资料说明。a.工程地质勘察报告：花岗岩，弱分化，岩质坚硬，块状结构，有轻微岩爆。b.设计支护情况：喷射5 cm厚C25混凝土，拱部1.5 m×1.0 m设置φ22组合中空锚杆，衬砌施作35 cm厚C35混凝土。埋深240 m。c.施工过程介绍：全断面开挖，喷射5 cm厚C25混凝土，拱部1.5 m×1.0 m设置φ22组合中空锚杆，衬砌施作26 cm厚C35混凝土。d.地质素描：花岗岩，灰黑色，弱风化，中～细粒结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较完整，未见明显构造痕迹，地下水不发育，围岩自稳性好。

2)第二类隧道衬砌检算资料说明。a.工程地质勘察报告：花岗岩，弱分化，岩质坚硬，块状结构，有轻微岩爆。b.设计支护情况：喷射5 cm厚C25混凝土，拱部1.5 m×1.0 m设置φ22组合中空锚杆，衬砌施作40 cm厚C35混凝土。埋深331 m。c.施工过程介绍：全断面施工，喷射12 cm厚C25混凝土，拱部设置网格间距25 cm×25 cm的φ6钢筋网，拱部设置φ22组合中空锚杆，拱墙设置φ22组合中空锚杆，锚杆间距1.2 m×1.5 m，衬砌施作30 cm厚C35混凝土。d.地质素描：花岗岩，弱风化，中～细粒结构，块状构造，岩质坚硬，岩体完整(局部欠完整)，局部裂隙较发育，地下水不发育，围岩自稳性好。

3)第三类隧道衬砌检算资料说明。a.工程地质勘察报告：中厚层状砂质板岩与长石石英砂岩互层，弱风化，岩质坚硬，岩体较完整，洞身深埋，有轻微岩爆。b.设计支护情况：喷射12 cm厚C25混凝土，拱部设置网格间距25 cm×25 cm的φ6钢筋网，拱部设置φ22组合中空锚杆，拱墙设置φ22组合中空锚杆，锚杆间距1.2 m×1.5 m，衬砌施作40 cm厚C35混凝土。c.施工过程介绍：全断面施工，喷射12 cm厚C25混凝土，拱部设置网格间距25 cm×25 cm的φ6钢筋网，拱部设置φ22组合中空锚杆，拱墙设置φ22组合中空锚杆，锚杆间距1.2 m×1.5 m，衬砌施作31 cm厚C35混凝土。埋深649 m。d.地质素描：花岗岩，弱风化，中～细粒结构，块状构造，裂隙较发育，岩石结构致密，坚硬，岩体较完整，岩石呈块状，地下水不发育，围岩自稳性较好。

4)第四类隧道衬砌检算资料说明。a.工程地质勘察报告：厚层条带状钙质板岩夹中厚层状灰岩，弱风化，裂隙发育，岩体破碎，容易出现涌水、塌方等地质灾害。b.设计支护情况：喷射25 cm厚C30混凝土，设置网格间距20 cm×20 cm的φ6钢筋网，拱部设置φ22组合中空锚杆，拱墙设置φ22组合中空锚杆，锚杆间距1.2 m×1.2 m，钢架采用H170φ22格栅钢架，间距1 m/榀，拱部120°范围内设置φ42-L=3.5 m超前小导管，环向间距0.4 m，纵向2榀钢架一环，注浆采用水泥浆，衬砌施作40 cm厚C35混凝土。c.施工过程介绍：全断面施工，喷射12 cm厚C25混凝土，拱部设置网格间距25 cm×25 cm的φ6钢筋网，拱部设置φ22组合中空锚杆，拱墙设置φ22组合中空锚杆，锚杆间距1.2 m×1.5 m，衬砌施作30 cm厚C35混凝土。埋深675 m。d.地质素描：砂质板岩，弱风化，砂质结构，板状构造，裂隙较发育，岩石结构致密，较坚硬，岩体较完整，岩石为块状、细块状，胶结性好，地下水不发育，围岩自稳性较好。

2 结构安全性检算方法与参数选取

2.1 混凝土结构的强度安全系数

根据TB 10003—2005铁路隧道设计规范、TB 10020—2009高速铁路设计规范(试行)和实际工程情况，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Ⅰ级～Ⅲ级围岩可作为安全储备，按构造要求设计；在Ⅳ级～Ⅵ级围岩，应按承载结构设计；计算深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑。在计算中应分别选用不同的安全系数，并不小于表2所列数值。

表2 混凝土结构的强度安全系数

2.2 衬砌内力的计算方法与参数选取

由于TB 10020—2009高速铁路设计规范(试行)不涉及到衬砌结构安全验算方面的内容，故以下计算内容参考TB 10003—2005铁路隧道设计规范。

该隧道缺陷里程段埋深200 m～700 m，故所有检算段都是深埋，则可根据TB 10003—2005铁路隧道设计规范中第4.3节的计算方法来计算深埋隧道衬砌荷载，衬砌内力采用荷载—结构法计算，内力计算参数选取见表3。

表3 内力计算参数

2.3 结构设计承载力计算方法与参数选取

TB 10003—2005铁路隧道设计规范，结构设计承载力计算按混凝土矩形截面中心及偏心受压构件计算抗压强度，从抗裂要求出发，计算混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度。承载力计算参数值见表4。

3 结构安全性检算结果

根据TB 10003—2005铁路隧道设计规范，考虑混凝土的破坏原因分别为混凝土达到抗压极限强度、混凝土达到抗拉极限强度，算得安全系数K压,K拉，其中安全系数较小点如表5所示。

表4 承载力计算参数值

表5 缺陷部位安全系数

4 结构安全性评估

针对隧道二衬局部厚度不足问题，分成了四大类，每类设置了三种工况，二衬无缺陷为工况1，二衬拱腰出现缺陷为工况2，二衬拱顶一侧出现缺陷为工况3，分别进行了截面强度检算，评估结论如下：1)当二衬无缺陷时，上述四类二衬强度都满足TB 10003—2005铁路隧道设计规范的规定。2)当二衬拱腰或拱顶一侧出现上述缺陷时，其他位置的安全系数基本无变化，缺陷位置的安全系数显著降低，降低幅度大约为无缺陷时的50%，但都满足TB 10003—2005铁路隧道设计规范的规定。3)对于第三类，无论拱顶一侧还是拱腰是否出现上述缺陷，仰拱正中处的安全系数较小，其值大小为3.63，略大于TB 10003—2005铁路隧道设计规范规定的最小抗拉安全系数3.60。

5 结语

在实际施工中，由于施工单位技术水平参差不齐，隧道厚度不足质量缺陷也是一种常见质量通病。隧道厚度不足对结构安全性影响较大，对衬砌厚度不足出现的位置对结构安全性的了解，控制好现场施工中重点位置衬砌施工技术，有利于避免出现衬砌施工质量缺陷，造成衬砌拆除返工现象。

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[2] 李 松.公路隧道支护结构无损检测及安全评估研究[D].重庆：重庆大学，2011.

[3] 周 强.高速公路隧道衬砌背后空洞影响及安全性分析[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[4] 张小明.水工隧洞衬砌结构的缺陷检测及稳定性分析[D].成都：西南交通大学，2014.

[5] TB 10003—2005，铁路隧道设计规范[S].

[6] TB 10020—2009，高速铁路设计规范(试行)[S].

Structural safety check-calculation and estimation of tunnel lining quality defect

Cao Jun

(ChangzhouRailTransitDevelopmentCo.,Ltd,Changzhou213022,China)

In light lining quality defect existing in tunnel construction, the paper classifies lining quality defects into four kinds according to surrounding rock degree and design thickness and other check-calculation conditions, and sets three kinds of working conditions for four kinds of lining quality defects. By taking secondary-lining design thickness as working condition 1, taking actual secondary lining haunch measuring thickness as working condition 2, and taking one side of secondary arch top minimum thickness as working condition 3, it respectively carries out check-calculation and comparative analysis, so as to estimate and determine the structural safety.

tunnel, lining, quality defect, check-calculation, estimation

2015-05-23

曹 君(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)22-0168-02

U455.91

A