云桂铁路石林隧道二次衬砌背后脱空受力分析及预防措施

彭万平，张春光

（中铁一局集团有限公司，陕西西安710054）

云桂铁路石林隧道二次衬砌背后脱空受力分析及预防措施

彭万平，张春光

（中铁一局集团有限公司，陕西西安710054）

衬砌背后脱空是隧道质量通病之一。为了掌握二次衬砌各部位脱空对结构受力的影响，采用有限元计算方法对云桂铁路石林隧道二次衬砌拱顶、拱腰、边墙3个部位分别脱空1，2，4 m进行计算分析。结果表明:边墙脱空比拱部脱空对隧道衬砌结构安全的影响更大，对预防边墙脱空的重视程度需要加强。根据现场实践经验提出了预防脱空的措施。

铁路；隧道；脱空；预防

1　工程概况

云桂铁路石林隧道设计为双线铁路隧道，净宽13.22 m，净高9.2 m。隧道Ⅱ，Ⅲ级围岩二次衬砌按承受围岩松弛荷载的30%设计，拱墙二次衬砌设计为C30素混凝土；Ⅳ，Ⅴ级围岩二次衬砌按承受围岩松弛荷载的50%设计，拱墙二次衬砌设计为C35钢筋混凝土。全隧穿越碳酸盐岩地层，碳酸盐岩脆硬，溶蚀裂隙发育，开挖轮廓不易控制，二次衬砌背后易产生脱空现象。

2　二次衬砌背后脱空对结构的影响

为了掌握二次衬砌各部位脱空对结构受力的影响，采用有限元计算方法对二次衬砌拱顶、拱腰、边墙3个部位无脱空及分别脱空1，2，4 m进行计算，共分为4种类型10种工况。

2.1数值计算模型的建立及参数取值

由于隧道背后脱空现象多发生于岩层条件较好的硬质岩中，因此对隧道Ⅲ级围岩采用地层结构法进行平面应变分析。

计算模型横向宽度180 m，纵向高度150 m，直角坐标系的坐标原点位于仰拱中心。围岩材料均服从Mohr-Coulomb准则，以四边形为单元进行离散，地层—隧道断面网格划分示意如图1。隧道二次衬砌采用弹性梁单元模拟，左侧边墙脚处单元为1#，顺时针编号，二次衬砌共划分92个单元，见图2。

图1　地层—隧道断面网格划分示意

图2　二次衬砌梁单元示意

坐标系中，X轴平行于隧道横断面和水平面，Y轴垂直向上。静力分析中，两侧边界取X方向固定，Y方向自由；底部边界取Y方向固定，X方向自由；在2个角点上X，Y方向均固定。计算模型共离散为2 740个单元，2 850个节点。数值计算模型各参数取值见表1。

表1　数值计算模型参数取值

2.2数值模拟工况

数值模拟共分为10种工况（见表2），其中1种无脱空工况，9种脱空工况。为模拟9种脱空工况，从隧道二次衬砌拱顶至边墙沿外轮廓每1.0 m划分一个脱空单元，脱空高度0.5 m，共划分16个脱空单元。其中，单元1～4为拱顶单元，单元9～12为拱腰单元，单元13～16为边墙单元，见图3。

表2　数值模拟工况

图3　16个脱空单元示意

2.3计算结果

10种工况的二次衬砌梁单元节点安全系数计算结果见图4。

由图4可见：①边墙脱空在各工况中影响范围最大，影响范围达到拱顶中部及仰拱中部。②无论脱空位置出现于二次衬砌何处，在脱空0～4 m范围内，脱空4 m时对二次衬砌结构的影响最大。③边墙脱空对二次衬砌结构安全的影响最大，拱腰脱空次之，拱顶脱空影响相对最小。拱顶脱空4 m时，二次衬砌34号梁单元节点安全系数为13.006，相对于无脱空时该节点安全系数45.871降低71.6%；拱腰脱空4 m时，二次衬砌46号梁单元节点安全系数为2.685，相对于无脱空时该节点安全系数19.629降低86.3%；边墙脱空4 m时，二次衬砌55号梁单元节点安全系数为1.889，相对于无脱空时该节点安全系数15.457降低87.8%。

图4　不同脱空工况下二次衬砌梁单元节点安全系数

可见，隧道衬砌无论是拱部脱空、拱腰脱空，还是边墙脱空，均极大地改变了隧道衬砌结构受力和变形状态，对衬砌结构的安全影响极大。衬砌结构可能因背后脱空造成混凝土结构受拉开裂，导致渗漏水和钢筋腐蚀，失去应有的承载能力。衬砌背后脱空后无法保证结构的长期安全运营，因此必须加以预防和处理。

3　衬砌背后脱空预防措施

预防二次衬砌脱空需从隧道开挖、初期支护、防水板铺设、混凝土浇筑、工装设备改进等各施工环节加以控制。具体措施如下：①将周边眼间距控制在50 cm以内，钻孔时严格控制周边眼外插角，控制开挖成型效果，为初期支护表面平整提供基础条件。②重视初期支护作业细节，保证初期支护平整度达标，为防水板铺设提供良好基面。③规范防水板铺设工艺，避免防水板紧绷或冗余造成局部脱空。防水板拱部固定点间距控制在0.8 m以内，边墙固定点间距控制在1.0 m以内，梅花形布置。防水板采用焊接固定，控制松弛度。④混凝土浇筑过程中，在灌注窗口采用丝杠对防水板进行固定，减少混凝土对防水板的拖拽，尽量避免入模混凝土直接冲击防水板。⑤混凝土浇筑过程中采用插入式振捣器配合附着式振捣器捣固，保证振捣效果。⑥在拱顶中部顺线路方向紧贴防水板预埋2根PVC花管，用于注浆和排气。⑦进一步研究、完善现有隧道二次衬砌的施工工艺，改进工装设备；在台车面板部位布设压力测定装置，用定量数据来确保混凝土灌注的密实度，从施工工艺上杜绝二次衬砌脱空现象。

4　结语

1）衬砌结构可能因背后脱空造成混凝土结构受拉开裂，导致渗漏水和钢筋腐蚀，失去应有的承载能力，因此二次衬砌背后脱空现象必须加以预防和处理。

2）一般情况下，施工技术人员认为拱顶脱空对隧道衬砌结构安全的影响最大，施工中比较重视对拱顶脱空的预防。但根据本文的计算分析，边墙脱空比拱顶脱空对隧道衬砌结构安全的影响更大，对预防边墙脱空的重视程度需要加强。

3）本分析采用的计算模型为二维模型，尚未考虑隧道纵向的影响。

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［5］李伟东.公路隧道二次衬砌顶部脱空的分析及处理［J］.交通科技与经济，2009（2）：26-27.

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（责任审编葛全红）

Mechanical Analysis and Preventive Measures Concerning Voids Behind Secondary Lining in Shilin Tunnel on Kunming－Nanning Railway

PENG Wanping，ZHANG Chunguang
（China Railway First Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710054，China）

Void behind the lining is among common engineering diseases.T o understand howvoids behind secondary lining affect structural behavior，a finite element analysis was carried out at positions of vault，haunch and sidewall of the Shilin T unnel on Kunming-Nanning railway.T he depths of the voids at the section are 1 m，2 m and 4 m，respectively.T he results reveal that void at the sidewall causes more significant influence than the void at vault，requiring more attention.T he correspondingpreventive measures were presentedbasedonthe engineering experience.

Railway；T unnel；Void；Precaution

U457+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.19

1003-1995（2016）10-0072-03

2016-04-06；

2016-07-20

彭万平（1976—），男，高级工程师。