隧道衬砌掉块类缺陷结构安全性检算方法及整治技术方案

2022-07-11杨建伟

铁道建筑 2022年6期

杨建伟

中国铁路北京局集团有限公司工务部，北京 100860

截至2021年底，中国铁路营业里程突破15万km，其中，投入运营的铁路隧道17 532座，总长21 055 km［1］。由于设计不足、施工不良等各方面原因使得部分区段存在拱墙背后空洞、衬砌厚度不足等施工缺陷，运营期间受到围岩压力、列车荷载、地下水侵蚀等作用，极易引发开裂掉块等病害［2-3］，严重危及行车安全。

根据统计，隧道衬砌掉块类缺陷占全部缺陷的9%，48%的缺陷部位存在裂缝及渗漏水［4］。多数情况下隧道内灾害按照“缺陷→病害→致灾”规律演变。发现缺陷并及时整治，是减少隧道内病害的最有利措施。

当前针对衬砌掉块方面的学术研究多倾向于整治技术［5-8］。关宝树等［9］开发了隧道病害整治专家系统，王春景［10］系统梳理了隧道状态的评判方法，但目前对于安全性检算尚缺少统一的分析计算方法，尤其结合Q/CR 9129—2018《铁路隧道设计规范》（极限状态法）等新规范的荷载计算方法研究还存在不足。

鉴于此，本文依托实际工程案例，重点分析运营期间隧道二次衬砌缺陷结构安全性检算方法。依据不同规范中承载力计算的规定，给出分别采用极限状态法和容许应力法进行缺陷结构安全性检算的流程和方法，并对工程案例安全状态进行具体分析，最后给出一种可通用的整治技术方案，为隧道缺陷结构的安全性分析和整治提供参考。

1 工程概况

华北地区一铁路隧道为单洞双线隧道，最大埋深50 m，采用复合式衬砌，各级围岩均采用曲墙带仰拱的结构形式，拱部和边墙采用50 cm 厚的C35 钢筋混凝土，仰拱采用60 cm 厚的C35 钢筋混凝土。现场排查时在上行线一侧拱顶敲击后出现约0.3 m2掉块，掉块处朝大里程方向约有8.0 m2脱空，沿线路方向宽1.7 m，从拱顶中心线沿环向两侧各2.0 m。设计断面衬砌厚度为50 cm，脱空部位最薄衬砌厚度为5 cm，脱空部分呈倒梯形，缺陷处隧道净埋深6.73 m，如图1所示。

图1 拱顶掉块处及尺寸（单位：cm）

对隧道二次衬砌破损处及其前一幅板二次衬砌结构混凝土强度进行回弹检测，拱顶混凝土抗压强度为37.4 MPa，拱腰及拱脚混凝土抗压强度为36.6 MPa，该段三个部位强度均满足设计要求。

依据铁运函〔2004〕174 号《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》及TG/GW 114—2011《高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行稿）》，确定缺陷等级为4级，严重程度为极严重。

2 二次衬砌缺陷结构安全性检算

2.1 检算流程

二次衬砌缺陷结构安全性检算流程见图2。根据规范及既有设计资料选取隧址区围岩级别，确定围岩参数，在此基础上分别按照容许应力法与极限状态法进行荷载计算，根据荷载计算值进行安全性检算，进而进行裂缝检算，最终判定是否满足安全性要求。

图2 结构安全性检算步骤

由于拱顶空洞处二次衬砌厚度不均匀，在按原设计计算缺陷结构安全性的基础上，逐级按照5 cm 值降低原设计二次衬砌厚度，重复上述计算步骤，直至得到满足规范要求的最小衬砌厚度。

2.2 结构检算方法

围岩级别及围岩计算参数主要根据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》和Q/CR 9129—2018 选取。这两个规范以下分别简称旧隧规、新隧规。

容许应力法荷载计算参照旧隧规附录E——浅埋隧道衬砌作用（荷载）计算方法，极限状态法荷载计算参照新隧规5.2 节的作用分类及作用组合以及附录E——浅埋隧道围岩压力计算方法。

1）极限状态法结构安全性检算方法

①承载能力极限状态

按照钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件正截面受压承载方式计算衬砌轴向力，计算方法参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》第6.2 节内容。

②正常使用极限状态

衬砌作为钢筋混凝土受弯、受拉及偏心受压构件，依据GB 50010—2010 第7.1 节方法，按照荷载标准组合或准永久组合并考虑荷载长期作用的影响进行结构检算。

2）容许应力法结构安全性检算方法

不论衬砌受力属于钢筋混凝土矩形截面的大偏心受压还是小偏心受压，均可根据旧隧规第11.2节相关公式进行检算。

3）衬砌结构裂缝检算方法

钢筋混凝土衬砌受拉、受弯和偏心受压时最大裂缝宽度均可根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》相关公式进行检算。

2.3 检算结果

2.3.1 极限状态法

通过有限元软件建立荷载-结构模型，计算衬砌结构内力。衬砌采用二维梁单元模拟，围岩对衬砌的约束作用采用二维杆单元模拟。假定缺陷范围混凝土强度为设计强度，缺陷范围钢筋按照设计排布，二次衬砌与初期支护完全密贴。首先对原设计进行安全检算，保持变形控制指标不变，按5 cm 级差逐渐减小衬砌厚度试算，直至得到满足规范要求的最小衬砌厚度。

原设计拱部和边墙采用50 cm 厚的C35 钢筋混凝土，仰拱采用60 cm 厚的C35 钢筋混凝土。环向主筋采用直径22 mm 的钢筋，纵向间距20 cm；纵向钢筋采用直径14 mm 的钢筋，环向间距25 cm；拉筋采用直径8 mm 的钢筋，拱墙和仰拱主筋选用直径22 mm 的钢筋，钢筋间距200 mm。首先在有限元软件中进行内力计算，分别得出基本组合、标准组合时内力。然后按照2.2节检算方法计算所有截面最大裂缝宽度。结果显示，其均满足设计中安全性要求，设计时按照构造要求配主筋即可。

隧道实际检测的拱顶空洞环向长度约4 m，模型中对应22 ～29号单元。按0.05 m级差减少22 ～29号单元的衬砌厚度，其余单元衬砌厚度保持不变。按照2.2 节检算方法，得到衬砌厚度为45 ～20 cm 时拱顶22 ～ 29 号单元裂缝宽度均满足GB 50010—2010 中安全性要求，设计时按照构造要求配主筋即可。当隧道拱顶衬砌厚度为 15 cm 时，24 ～28 号单元衬砌厚度不足（表1），需要增加衬砌厚度。其余位置钢筋混凝土按照设计厚度计算，满足规范要求的拱顶最小衬砌厚度为20 cm。因为构造配筋条件下安全性满足时已经考虑了裂缝安全性要求，因此最大裂缝宽度均不需要检算。

表1 拱墙衬砌厚度15 cm时加强衬砌试设计配筋

2.3.2 容许应力法

在有限元软件中进行内力计算。结果显示：隧道拱腰和拱脚处弯矩较大，拱顶处弯矩最大，轴力最小，为隧道结构最薄弱位置。按照2.2 节方法计算，原设计所有截面最大裂缝宽度均满足GB 50010—2010 中的安全性要求，设计时按照构造要求配主筋即可。

针对隧道拱顶实际空洞情况，采用与2.3.1 节相同的分析方法，按0.05 m 级差减少22 ～29 号单元的衬砌厚度。计算得出衬砌厚度为45 ～30 cm 时，全断面所有单元裂缝宽度均满足GB 50010—2010 中的安全性要求，设计时按照构造要求配主筋即可。其余单元衬砌厚度保持不变，计算得出拱顶衬砌厚度为25 cm 时，25、26、27 号单元实际配筋面积大于计算配筋面积，满足承载能力要求（表2）。即在拱顶存在4 m长环向空洞，其余位置混凝土按设计厚度计算时，满足规范要求的拱顶最小衬砌厚度为25 cm。

表2 衬砌厚度为25 cm时衬砌试设计配筋

3 整治方案

结合检测结果，对掉块空洞处二次衬砌厚度小于20 cm 以及不密实的衬砌混凝土进行整治。整治关键工序如下：

1）搭设脚手架平台。脚手架作业地段前后2 m 范围内铺设土工布，确保轨道不被污染。

2）混凝土分块凿除。拱部混凝土采用混凝土切割机进行切割，电镐进行凿除，单个混凝土块的块径控制在40 cm 以下，采用高压水枪对表面进行清理。在空洞部位放置防水布，并留排水通道，水循环利用。在环向施工缝部位，所有接触网或设备上方，先包覆橡胶管，外侧再包覆土工布，避免水污染。施工完毕将衬砌内部和外表面的明水吸干。天窗结束前，检查未凿除部分，不得有松动块或者散落块，以免掉块影响列车行驶。

3）注浆管安装。安装注浆管（图3），兼作排气管。注浆管采用膨胀马牙扣注浆管，深入空洞部分与钢筋焊接。1#注浆管开口部分距离衬砌外表面（围岩侧）20 ～25 cm，2#注浆管开口部分距离衬砌外表面35 ～40 cm，3#和4#注浆管距防水板2 cm 左右。注浆管采用膨胀方法锚固在衬砌上。注浆管长度不低于20 cm。

图3 注浆管安装示意（单位：mm）

4）模板安装。模板采用竹胶板，采用植筋进行固定，缝隙采用双面胶进行封闭，搭接位置采用吊丝固定。掉块空腔位置采用通丝将模板与钢筋焊接并与稳定衬砌固定，通丝间距为30 cm（环向）×40 cm（纵向）。安装模板时，严格控制外露吊筋长度，避免侵限。

5）注浆加固。注浆前在新旧混凝土结合面用高压水枪冲洗湿润，并喷涂界面剂。聚合物砂浆利用搅拌泵送一体机进行浇筑施工，严格按照配合比拌制砂浆。先清理管孔，由下向上注浆，确保管道畅通。注浆过程中要时刻观察注浆压力和流量的变化，首次灌浆压力控制在0.2 MPa 以内，用压力控制注浆量。当拱顶注浆压力达到设计终压并稳定10 min 以上或观察到溢浆管溢浆，方可结束该孔注浆。注浆结束后将注浆管及溢浆管切除，打磨平整，表面涂刷环氧树脂作防锈蚀处理。

6）整治效果检验。隧道衬砌掉块类缺陷结构整治完成后，对衬砌厚度、强度、密实度采用地质雷达、回弹仪进行检测，组织相关部门进行验收，确保整治效果满足设计要求。如发现问题应及时反映，视情况采取针对性措施再次进行处理。

7）施工监测。隧道衬砌掉块类缺陷结构整治过程中，对缺陷段及其两侧各40 m 变形进行监控量测。注浆期间对缺陷部位进行监测，径向变形大于2 mm时须停止注浆，查找原因。若由环境扰动或设备原因引起，可继续注浆，直至注满为止。