已建隧道利用FORTRAN程序进行衬砌检算及整治方案探究

张竞予，王晖，王伟

（1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054）

1 引言

隧道病害的成因错综复杂，近几年来，隧道设计理论的逐步完善，新奥法应用的逐步成熟，设计指导施工的重要性也越来越明显，但若隧道的选址和对地质条件的调查没有做到很充分时，隧道极易产生病害。

对于已建成在运营的隧道，尤其是年限已久的隧道而言，由于其当时的施工方法不够完善，二次衬砌承担了过多的压力，违背了新奥法的施工理念，使二次衬砌出现了大量的大小不一的裂缝及压溃，对于上部水系发达的地区，这将成为该隧道的灾难，隧道内部渗漏水极为严重，即使检测也很困难。此时采用FORTRAN程序对隧道衬砌进行分析计算，能快速有效地分析出区间内部所受弯矩、剪力和轴力的大小，将大大减少人力的投入，并且减少采用机械检测的使用费用及保养维护费用，同时也提高工作效率。

长期以来土木工程相关的计算程序很多都是用FORTRAN编制的，它是最早的计算机高级编程语言，具有传统的超强计算功能和已经成形的计算资源，如各种计算软件等都是由其编译而来，所以，很长一段时间内，FORTRAN程序不会为C/C++、VB等取代。它几乎集中了所有关于软件开发和软件工程研究的最新成果,如面向对象、类型安全等。与其他语言相比，FORTRAN的语法更加简洁,调试更加容易,且应用程序开发更加快速。

在数值计算中，FORTRAN语言仍然不可替代。FORTRAN90标准引入了数组计算等非常利于矩阵运算的功能。在数组运算时，FORTRAN能够自动进行并行运算，这是很多编程语言不具备的。运用FORTRAN语言，用户能够运用很多现成的函数软件包，所以非常便利。

2 工程概况

某隧道始建于1956年，全长575m。隧道的进口和出口分别位于R=1000和R=390m的缓和曲线上，隧道内为4.5‰和5.3‰两个单面坡,净空高6550mm，进口端为曲墙仰拱衬砌，设中心排水沟，出口端为直墙无仰拱衬砌，设左侧排水沟，碎石道床。由于综合因素所致隧道渗漏水严重，曾先后多次进行过整理，其中拆换仰拱219m，增设各类排水盲沟百余条，改建隧道左侧排水沟，以及隧道左侧增设340.5m长的平行泄水洞一座。但终因复杂的工程地质条件及水文地质条件的影响与控制，目前隧道的翻浆冒泥、渗漏水、排水系统淤堵、衬砌混凝土腐蚀等病害依然很严重，需要更进一步地整治。

3 计算参数与模型建立

3.1 计算参数确定

本次分析中衬砌检算采用结构力学方法，材料参数为如表1。

计算参数 表1

3.2 计算荷载确定

计算荷载根据铁路隧道规范确定，根据该隧道的覆土深度,确定为深埋隧道，作用在结构上的竖向分布荷载为:

3.3 衬砌截面强度检算

求得隧道各截面上的弯矩M和轴力N后，可通过下列公式计算所论截面的安全系数：

当e≤0.2d(小偏心)时，按抗压要求检算：

式中：K——截面的安全系数；

e——偏心距；

d——截面厚度；

b——截面宽度；

子宫肌瘤属于临床常见妇科疾病,为良性肿瘤疾病类型,以采取手术切除为主要治疗方法。子宫肌瘤切除手术的重要特点即给予盆腔深部操作以及阴道操作,因此要求给予控制麻醉平面为T6-S4间的15对以上脊神经,因此手术麻醉要求更高。在手术麻醉过程中,需充分镇痛效果,需子宫相关肌肉松弛状态,从而保证术中进行阴道牵拉子宫过程中,肌肉松弛,不发生内脏牵拉反应[1]。

φ——构件纵向弯曲系数，计算中取φ=1；

α——轴力偏心影响系数，按下式计算：α=1-1.5e/d

R——混凝土极限抗压强度，计算衬砌混凝土的抗压强度是根据现场回弹仪测试结果选取，以上各计算断面极限抗压强 度 分 别 取 为：4.88MPa、12.7MPa、11.46MPa、12.65MPa、11.55MPa、10.25MPa、9.44MPa和5.33MPa。

当e＞0.2d(大偏心)时，按抗裂要求检算：

式中：R—混凝土极限抗拉强度，计算R1.0MPa。

3.4 节点布置图

图1 节点布置图

4 带入程序检算

4.1 程序编制说明

FORTRAN语言的最大特性是接近数学公式的自然描述，在计算机里具有很高的执行效率，可以直接对矩阵和复数进行计算。以下为部分程序引入：

输入数据并输出结果，如表2。

隧道衬砌各计算截面的弯矩、轴力及安全系数 表2

由以上计算结果可以得到以下结论：

5 整治方案

根据工程地质，水文地质及工程造价等因素，确定整治方案如下。

5.1 翻浆冒泥的整治

①在道心处进行清筛，严格控制清筛质量；

②将基床顶面以下厚0.48m基床土更换为渗水性土；

③更换仰拱，换填深度为0.6m；

④道床采用200号混凝土（掺加BR型防水剂），仰拱采用50号浆砌片石。

5.2 渗漏水及衬砌裂损的整治

①拱部衬砌清理干净，在其上素喷200号混凝土(掺加BR型防水剂)10cm，分两次喷射；喷混凝土工艺流程：

拌和搅拌混凝土→翻斗车运输→上料盘→喷湿计量泵（同时加入速凝剂，并开始高压风）→喷嘴→受喷面。

②浅孔注浆

按梅花状布设孔位,孔间距为70cm，用直径20mm冲击钻打孔，孔深20cm，并将孔内清洗干净；安装注浆管，下垫塑料泡沫条，再安装直径20mm、长4cm的钢管,外端有丝扣；用快硬水泥砂浆固定注浆嘴，并在注浆嘴周围抹一层砂浆以形成防水层，待强度形成后进行注浆；

按比例配制水泥-水玻璃浆液，并装入注浆桶中，凝结时间10s左右进行注浆作业，表面涂刷两遍SWF混凝土密封胶。

5.3 衬砌干裂缝整治

工程数量表（每延米） 表3

工程数量表（每延米） 表4

采用凿槽嵌补法：

用小扁凿沿裂缝凿开一道沟槽，槽宽4cm，槽深10cm，用钢丝刷清除缝内浮碴，并用高压风吹干净缝内尘土，保证缝内无水、干燥；在缝的两侧面和底面均匀涂刷底胶，底胶厚度宜为0.3mm左右，用配制好的嵌接缝材料聚合物水泥砂浆进行填缝，并捣固密实；用防水砂浆将裂缝表面抹平，并进行合理的养护。

6 结束语

以上阐述还原了利用FORTRAN程序编程解决既有隧道病害的过程。

在实际中，利用FORTRAN程序对隧道衬砌进行分析计算，寻找受损点，既能减少采用机械检测的使用费用及保养维护费用，同时也提高工作效率。FORTRAN程序与其他语言相比，语法更加简洁，调试更加容易，且应用程序开发更加快速。