基于故障树的铁路隧道衬砌脱空原因分析及应对措施

王进生

(中国铁路总公司工程质量监督管理局成都监督站,四川成都 610081)

在铁路隧道工程建设中,受围岩条件复杂、施工控制不严和混凝土材料收缩徐变等因素的影响,部分隧道衬砌脱空缺陷严重[1]。 已有许多学者对衬砌脱空的影响进行了相关研究,杨小玉等对铁路隧道衬砌混凝土背后脱空产生的原因进行了综合分析并提出相应的预防及处治措施[26];蒋晖光等基于FLAC 软件建立分析模型,探究在不同脱空位置、不同脱空程度情况下衬砌安全性的影响规律,并结合工程实际制定了整治方案[7]。 但是对于导致隧道二次衬砌脱空众多因素之间结构关系的研究仍有不足。 以成贵客专工程某隧道为例,建立隧道衬砌脱空故障树,以展现导致衬砌脱空各因素之间的结构关系以及结构重要度。

1 工程概况及脱空检测

成贵客专工程某隧道出口端分别穿越灰岩、页岩、泥岩夹灰岩等地层,围岩等级为Ⅴ～Ⅲ级,相应的衬砌类型有Ⅴc 型、Ⅳb 型、Ⅳa 型、Ⅲb 型。 除Ⅴ级围岩段采用C35 钢筋混凝土外,其余均采用C30 混凝土;Ⅴ级围岩段采用全环格栅钢架,Ⅳb 型衬砌段初支采用拱墙格栅钢架。 在完成所有衬砌施工5 个月后,采用地质雷达对隧道出口段的二次衬砌进行无损检测,共计发现缺陷54 处。 其中,二衬背后脱空40 处,二衬背后不密实4 处,初支背后不密实3 处,二衬厚度不足7 处。

隧道衬砌完工7 个月后,对该段衬砌再次进行检测,发现衬砌有裂纹产生。 裂纹产生原因为:①该隧道与渝黔铁路的另一隧道并行,两隧道净间距小,且轨面存在一定高差,导致中间夹岩产生应力集中;②隧道内二次衬砌脱空,使得衬砌受力不均匀,增大了其受拉破坏的可能性;③施工过程中受到多次扰动;④岩体产状、层理、地形等多因素的组合,导致隧道衬砌侧向压力过大,并作用在曲率较小的边墙部位,使边墙部位产生纵向张性裂缝(纹)。

由此可见,二次衬砌脱空是导致隧道在长期运营过程中产生多种形式病害的原因之一,为解决隧道衬砌脱空问题,以下对隧道衬砌脱空原因进行故障树分析。

2 研究方法

2.1 故障树分析法

故障树分析法是将系统可能发生的风险事故或失效状态作为故障树的顶事件,将事故原因逐层分解(直到不能继续分解),找出事故发生的基本原因。 利用专门表达逻辑关系的门符号、事件符号以及基本术语等,来表述系统各层事件之间的逻辑关系和因果关系,画出故障树图。 根据故障树图求解事故发生的最小割集,即对事故进行定性分析,找出事故发生的基本事件和因素。 结合最小割集,可以对系统事故进行定量分析,得出顶事件发生的概率[8]。

故障树分析包括以下几个主要步骤:建立故障树、故障树的定性分析和定量分析。

2.2 最小割集

求解系统事故发生的最小割集是故障树分析的核心,故障树的定性分析和定量分析都是以系统事故发生的最小割集为基础。 所谓最小割集,就是可以导致各顶事件发生的最小基本事件集合,最小割集包含的基本事件对导致顶事件的发生是充分必要的[9]。 求解最小割集的主要方法有下行法、上行法、质数代入法、矩阵法和布尔代数化简法。

2.3 结构重要度

故障树中的每一个基本事件对顶事件都会有一定的影响,但影响的程度不同。 为了解其影响程度,应按照对顶事件影响大小,按从大到小的顺序消除基本事件。 在工程实际中,各基本事件发生的概率很难确定,可在假设各基本事件发生概率相同的前提下,计算基本事件的结构重要度,计算公式[10]为

式中:Iφ(i)为基本事件Xi的结构重要度;k 为故障树系统所含的最小割集的数量;为含有基本事件Xi的第j 个最小割集中所含基本事件的数量。

通过式(1),可得出各基本事件的相对结构重要度,利用计算所得的结构重要度进行排序,排序结果显示各基本事件对顶事件影响程度的相对大小。

3 隧道衬砌脱空故障树建立

3.1 故障树建立

对成贵客专工程某隧道以及其他工程实例中隧道脱空的原因进行统计分析,并结合隧道衬砌结构,可将铁路隧道衬砌脱空的成因分为三类:开挖及初期支护问题、防水板铺设问题和二次衬砌混凝土工程问题[11]。

(1)开挖及初期支护问题

①爆破效果差;②超挖、欠挖情况比较突出;③喷浆支护过程存在喷浆不到位或是有意遮挡留下空洞,且未采取相应措施补救。

(2)防水板铺设问题

①初期支护的表面不平顺,导致防水板与初支表面贴合不紧密,形成空洞;②防水板固定点数量不足,混凝土浇筑过程中防水板脱落,引起上部防水板紧绷、下部防水板堆积,从而形成空洞;③防水板铺设松弛度不足,局部紧绷,造成在防水板与初支面之间形成空腔;④防水板铺设松弛度过大,形成褶皱,造成衬砌背后脱空[1213]。

(3)二次衬砌混凝土问题

①移动模板台车底部支撑不牢靠,走行轨连接螺栓数量不足及轨道变形,引起台车在浇筑时移位;②对台车本身的变形检查频率不足,未及时校正;③台车挡头板封堵不严造成漏浆等;④混凝土施工前,未根据断面测量结果预估实际施工所需的方量,拱部混凝土灌注量不足致使拱部局部形成脱空;⑤在衬砌拱顶混凝土浇筑过程中,未按要求做到逐孔、多孔浇筑,单孔“一灌到底”,部分混凝土附着在钢筋上,使混凝土流动性变差,极易造成拱顶出现空洞;⑥衬砌施工振捣不密实;⑦衬砌拱部未设置排气孔或预留排气孔堵塞失效,导致混凝土无法充填饱满,尤其在反坡施工时,浇筑段与上循环之间会形成空气囊而造成衬砌背后空洞;⑧施工现场混凝土养护不到位,致使衬砌与围岩或防水板间出现空隙,形成脱空[1415]。

针对导致隧道衬砌脱空的原因,以铁路隧道衬砌脱空为顶事件,开挖及初期支护问题、防水板铺设问题和二次衬砌混凝土工程问题为三个中间事件,得到16 个基本事件,构造的故障树见图1。 X1～X16表示故障树中的16 个基本事件,其具体含义见表1。

图1 铁路隧道衬砌脱空的故障树

表1 铁路隧道衬砌脱空的基本事件及含义

3.2 最小割集划分

针对故障树模型,选用布尔代数法计算铁路隧道衬砌脱空的最小割集。 按照布尔代数法,铁路隧道衬砌脱空的顶事件的表达式为

式中:A1为开挖初支问题;A2为防水板问题;A3为混凝土工程问题。

将式(3)、式(4)、式(5)代入式(2)中,得

则铁路隧道衬砌脱空的最小割集分别为

3.3 结构重要度计算

根据式(1)以及上述最小割集划分情况,可计算出故障树中各基本事件的结构重要度,见表2。

由表2 可知,基本事件X16(即施工管理不严)对顶事件铁路隧道衬砌脱空的影响程度最大,X4～X15其次,X1～X3对顶事件影响程度最小。

表2 各基本事件的结构重要度

4 应对措施及建议

通过故障树分析可知,影响铁路隧道衬砌脱空的主要因素是施工管理不严,其次是模板作业、混凝土作业以及养护作业过程中的混凝土工程问题。 因此,为了减少衬砌脱空事故的发生,除了要加强混凝土施工过程控制外,更需要重视施工管理,及时消除危险因素。 根据衬砌脱空故障树结构重要度分析结果,提出以下防治措施与建议。

4.1 加强施工管理

加强对现场管理人员的教育培训工作,提高其质量意识和责任心。 通过开展培训,使每一位管理人员牢固掌握隧道开挖、初期支护、防水板安装以及混凝土施工过程中的各项工艺要求和关键环节监控要点,提高管理人员的技术水平。

加强施工技术交底工作。 现场技术管理人员要对施工班组进行详细交底,确保各项工艺要求传达到每一位作业人员手中。

加强施工准备工作,对原材料储备、混凝土的供应、人员设备到位等各环节进行认真检查核实,确保混凝土浇筑施工的连续性。

加强施工过程中的组织管理。 施工管理人员和监理旁站人员必须严格盯控隧道施工,及时纠正和处理施工作业中的不规范行为。

加强无损检测。 在衬砌施工200 m 后即安排雷达检测,检测时以拱顶、仰拱为重点,可根据现场情况适当增加测线,以便及时发现问题并采取措施。

加强施工质量验收检查工作,严格遵循上道工序验收不合格不得进行下道工序施工的原则。

4.2 加强混凝土工程质量控制

采用数控衬砌台车施工,并做好日常设备保养工作。 依据衬砌施工作业要求施作模板台车,严格检查模板加固支撑体系,并采取相应措施防止台车走位。同时,在模板台车端面上贴反光轮廓标,警示运输车辆,避免撞击造成台车移位。

精确计算混凝土浇筑数量,配备足够的混凝土运输车辆,防止因混凝土供应不及时或等待浇筑时间过长而影响混凝土性能。

严格按照衬砌施工作业要求进行混凝土浇筑,严控浇筑顺序。 进行拱顶施工时,浇筑孔应从低到高依次逐孔作业,避免拱顶位置低的窗口被混凝土盖满而影响拱顶施工质量。 严格控制拱顶混凝土的浇筑时间,确保在规定时间内完成施工作业。 同时安排经验丰富、责任心强的人员观察衬砌堵头处和观察孔的流浆情况,确保拱部混凝土填充饱满。

采用纵向预留管道和径向注浆管道法杜绝注浆脱空。 当进行衬砌防水板施工时,在衬砌拱顶中央位置安装注浆管与排气管(φ30PVC,长度为衬砌长度+200 mm)。 注浆管上布设溢浆孔,孔径为6 ～8 mm,间距为15 ～20 cm,梅花形布置,外露段与注浆机连接。排气管按照排气要求安设于注浆管侧面。

采用φ28 钢管台车将防水板直接顶到初支表面,并用法兰盘丝扣固定。 拆除衬砌台车前,且孔口封堵材料达到一定强度后,对衬砌拱顶按先纵向再径向的顺序进行注浆,注浆压力控制在0.5 ～1.0 MPa 之间。注浆材料采用微膨胀水泥砂浆或水泥浆,机械拌制,稠度控制在14 ～18 s 之间。 注浆压力达到0.5 ～1.0 MPa 或排气管出浆时即可终止注浆。

严格执行混凝土振捣工艺标准,及时开启振捣设备,确保混凝土振捣到位。 可在拱顶加设径向插入式振捣器加强振捣,并根据施工情况,分区控制附着式振捣器工作。

4.3 加强防水系统质量控制

防水板铺设应松紧适度,并严格按设计要求布置固定点间距。 防水板搭接长度、焊缝及固定点焊接均需严格按防水板施工作业要求进行施工。

初期支护施工时应设置喷射混凝土厚度控制标识,严格控制喷射混凝土厚度和表面平整度。 可采用方铲等小型工具修整初支轮廓,使初期支护混凝土表面平整、平顺,消除“排肋状”现象,保证初支施工质量符合设计和验标要求。

4.4 加强隧道开挖与初期支护质量控制

使用三臂凿岩台车开挖钻孔,依靠计算机系统进行准确定位,以保证开挖轮廓平顺光滑。

采用控制爆破施工时,应严格按照钻爆设计并根据实际围岩情况,做好钻爆方案及现场工艺优化,保证开挖断面施工质量符合设计和验标要求。

及时调整爆破参数,减少超挖、欠挖现象。 可以结合现场实际情况进行试验,反复提炼参数值。

提高喷浆工艺水平,对超挖部位采取网喷混凝土先行支护,待消除空洞后再按顺序进行初支喷射混凝土施工。

5 结束语

以成贵客专工程某隧道为例,利用故障树分析法建立施工期铁路隧道衬砌结构的故障树风险分析模型,以此对造成铁路隧道衬砌脱空的原因进行定性分析。 研究表明,隧道开挖及初期支护问题、防水板铺设问题和二次衬砌混凝土工程问题是造成隧道衬砌脱空的三类主要问题。 在定性分析的基础上,通过最小割集的划分以及结构重要度的计算,得出造成隧道衬砌脱空的关键致灾基本事件为施工管理不严,而爆破效果差、未及时调整参数、喷浆不到位对衬砌脱空的影响程度最小。