地铁隧道衬砌结构破坏影响因素与安全性评价

许 培

（中铁十八局集团国际工程有限公司，天津 300350）

1.引言

近年来，轨道交通快速发展，在解决城市交通问题上取得较高的成就。在地铁运营过程中，隧道的结构病害是不容小觑的病害，给地铁运营安全造成一定的安全隐患。目前国内对于隧道安全性评价的研究较少，而随着城市轨道交通运营量的增加，对隧道结构的安全性进行评价研究分析就突显出其重要性。

2.工程概况

某地铁隧道采取的施工方法为盾构法。通过对隧道的衬砌病害进行调研，该隧道裂缝病害主要如图1 所示。该隧道衬砌所采用的方法是现浇混凝土结构。

图1 隧道裂缝形式

3.地铁隧道衬砌破坏机理

围岩以及支护结构是影响隧道结构问题的关键因素。对地铁隧道安全性而言，结构变形以及裂缝的状态是较能反映其状态的因素。导致地铁隧道结构出现变形以及裂缝的因素大抵可分为两类，即外因以及内因。本文主要采用直观分析法，从内因入手研究分析隧道衬砌的破坏机理。

3.1 结构自身因素对隧道衬砌破坏分析

本文共选取隧道断面形式作为研究对象。并且隧道跨度呈现逐渐减小。文中各项参数所取数值如表1 所示。围岩条件选取隧道施工时参见的粗细砂、粉土等。

表1 隧道结构参数

3.2 隧道结构破坏时的相对收敛分析

对于隧道的相对收敛而言，在遭到破坏时有竖向以及水平两种方向。采用直观分析法对计算结果进行分析，可得到隧道结构衬砌在遭到破坏时对其收敛而言主要的影响因素和不利影响的组合。该过程可分为两步：（1）通过对各个影响因素取值所对应的相对收敛以及隧道的裂缝状态进行计算分析得出其综合平均值。通过分析某因素在n 处的综合平均取值，可得到地铁隧道在破坏时其综合平均取值的最大值即为最不利因素。对于隧道结构破坏时的相对收敛可通过对最不利因素的进行组合即可得到最不利条件。（2）通过计算各种影响因素的综合平均值的极差，并采用排序的方法对极差进行排列，即可得到隧道破坏时各个指标的主要影响因素。

由于篇幅限制，本文直接得出结果：对不同因素下的地铁隧道结构综合均值的极差以及最大相对收敛值进行分析可知，对于隧道的竖向收敛而言，隧道结构的断面形式是影响隧道竖向收敛的主要影响因素，而影响最小的是钢筋直径的大小；对于隧道结构衬砌的水平相对收敛而言，最大的影响因素是围岩的侧压力，影响最小的是初支以及二衬之间的摩擦系数。

4.地铁隧道结构的安全性评价

承受围岩荷载以便于形成稳定空间的即为隧道结构衬砌。隧道结构衬砌需确保在运营期间始终满足列车所需的车辆限界，但在长时间的围岩压力以及材料老化等因素下，隧道结构衬砌无法避免裂缝的产生。若不进行外力干扰，则容易导致裂缝的加剧导致结构变形增加，最后致使隧道结构衬砌的失稳。本文采用模糊综合评价法，以隧道结构衬砌的结构变形为标准进行安全性评价。

4.1 安全性指标

针对地铁运营的环境特点，本文从地铁隧道衬砌结构破坏时的收敛变形以及二衬裂缝的状态评价地铁隧道结构衬砌的安全性。指标具体如下所示：

地铁隧道结构的竖向δV以及水平δh收敛是隧道结构收敛变形的表征，如图2 所示。

图2 隧道断面收敛示意图

通过研究分析得，裂缝在隧道衬砌结构破坏时包括有产生以及发展两种状态，因此本文将衬砌裂缝状态评价的指标设定为：隧道裂缝的深度c，宽度w，数量n 以及位置p，如图3 所示。

图3 隧道衬砌裂缝的状态示意图

总结上述分析可得出隧道的安全性评价指标共有6 项基础指标。可将其分为：目标层，类指标层，基础指标层三个层次，其中作为层次分析的最终目标的是目标层，并且该层还作为地铁运营隧道结构的安全性。

4.2 评价指标权重

通过对各个影响因素进行权数分析，进而得出各个影响因素的重要程度。通过阅读文献等方法，本文采用标度法对指标权重进行分析，结果如表2 所示。

表2 各级评价指标权重

4.3 安全度

本文采用安全度的形式描述地铁隧道结构的安全性。对于不同工程而言，可根据各自的基础指标参数和不同的权重计算方法进行安全度的计算。本文根据模糊数学理论的方法以及文中采用的类指标，对安全度进行定义。在安全性评价地铁结构运营期间的核心是避免发生安全事故，即确保隧道的收敛变形以及裂缝在可控制的范围以内，对于该种情况可采取安全度的方式进行描述。

4.4 隧道结构相对收敛δ 分级标准

通过将隧道竖向以及水平的收敛除去隧道垂直方向的内净空H 以及水平方向的内净空S，即可得将正交试验的结果进行统一化处理，结果如表3 所示。

表3 隧道收敛在不同工况下的收敛变化统一化处理结果

为了确保能与安全性评价的等级可以相对应，按照3 类方式对δ 的等级进行分级。将分级标准定为隧道结构衬砌变形的上下限，并通过取整处理的方式处理各个指标，以便于实际的操作，所得结果如表4 所示。

表4 δ 类基础指标的分类标准

4.5 结构裂缝状态C 分级标准

通过对各个工况状态下的衬砌裂缝调查结果进行分析，并为使其调查结果更加直观，将裂缝的深度以及厚度C/h 进行比较以及剪裂缝的宽度和深度w/c 进行比较即可得到c 和w 的统一化处理，处理结果如表5 所示。

表5 隧道结构裂缝在不同工况下的指标统一化处理结果

采用同上述一致的方法，使其与安全性分级对应，可得出C 的3 类等级分类。如表6 所示。

表6 C 类基础指标分类标准

综上所示，通过数值计算得到了各个定量基础指标分类的标准，并且通过对定性指标裂缝位置进行模拟试验的方法，得出结果：裂缝出现的频率最高位置为拱脚，并且是最有可能贯彻整个隧道结构的裂缝，因此将其定为最危险的等级C 级；而仰拱位置的裂缝则次之，定为B 级；拱腰位置则属于出现裂缝频率最低的位置，定为A 级。基础指标安全性评价标准，如表7 所示。

表7 地铁隧道衬砌结构安全性评价标准

5.结语

本文从隧道的相对收敛入手，对隧道衬砌破坏的影响因素进行分析，得出影响隧道结构衬砌的竖向收敛的主要因素是隧道结构的断面形式，对于水平收敛的主要影响因素是围岩的侧压力。对于隧道衬砌结构的安全性评价，通过建立三级指标体系的方法对地铁隧道结构衬砌在遭到破坏时的收敛变形以及裂缝参数等进行评价。