李 彬,雷明鋒,李文華
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 校辦產(chǎn)業(yè)處,湖南 長(zhǎng)沙 410076;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410075)
運(yùn)營(yíng)公路隧道病害對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響*
李 彬1,雷明鋒2,李文華2
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 校辦產(chǎn)業(yè)處,湖南 長(zhǎng)沙 410076;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410075)
針對(duì)常見(jiàn)的隧道混凝土材料劣化、襯砌厚度不足及背后脫空3類(lèi)病害,基于荷載-結(jié)構(gòu)平面分析模型,通過(guò)設(shè)置不同病害程度等級(jí),分析運(yùn)營(yíng)公路隧道病害對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響規(guī)律。研究結(jié)果認(rèn)為:(1)襯砌結(jié)構(gòu)截面最小安全系數(shù)隨混凝土材料劣化呈同比例線(xiàn)性下降,以發(fā)生劣化的局部位置最為顯著;(2)襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足直接降低了結(jié)構(gòu)截面剛度,欠厚部位安全性能隨之下降;(3)襯砌背后脫空改變了結(jié)構(gòu)受力和變形模式,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能影響最大,特別是當(dāng)脫空范圍大于2 m時(shí),在圍巖荷載作用下,襯砌結(jié)構(gòu)將很快出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落等嚴(yán)重結(jié)構(gòu)型病害,直至完全喪失承載能力或退出正常使用狀態(tài)。
公路隧道;結(jié)構(gòu)病害;材料劣化;厚度不足;背后脫空;安全性影響
隧道病害一直是困擾國(guó)內(nèi)外線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)的一大難題。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道,日本的病害隧道占其總數(shù)的65%,前西德的病害隧道占47%,意大利、前蘇聯(lián)等歐洲國(guó)家也有數(shù)量不等、嚴(yán)重程度不同的病害隧道。我國(guó)隧道病害也十分普遍,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在1997年底建成的5 000余座鐵路運(yùn)營(yíng)隧道中,因各種病害失格的隧道為3 270座,占隧道總數(shù)的65%,每年用于病害整治和隧道維護(hù)的費(fèi)用巨大,不僅浪費(fèi)了大量的人力物力,而且對(duì)線(xiàn)路的正常安全運(yùn)行造成了相當(dāng)大的干擾,社會(huì)負(fù)面影響極大。
為此廣大科技工作者采用不同技術(shù)手段,對(duì)隧道病害的成因分析[1-4]、評(píng)價(jià)方法[5-10]和整治措施[1,4,11]等方面開(kāi)展了大量的理論研究和工程實(shí)踐工作,取得了豐富的研究成果。如在隧道病害分類(lèi)問(wèn)題上,取得了較為一致的認(rèn)識(shí),認(rèn)為隧道病害的類(lèi)型主要有水害、凍害、襯砌裂損和襯砌侵蝕等,且一般不是單獨(dú)存在的,而是相互影響,相互作用,其長(zhǎng)期作用使隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成不同程度的破壞,安全可靠性降低,最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞,嚴(yán)重危及行車(chē)安全。
王春景等[9]基于結(jié)構(gòu) -荷載法隧道計(jì)算理論,建立了隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足、材料劣化及背后空洞3種病害結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,闡述了病害隧道結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的具體方法。為進(jìn)一步明確運(yùn)營(yíng)公路隧道各類(lèi)病害對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載能力的影響,筆者基于上述文獻(xiàn)中所建立的隧道結(jié)構(gòu)病害模型,針對(duì)不同病害類(lèi)型、不同病害程度開(kāi)展具體計(jì)算研究,以揭示其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。
圖1 分析基準(zhǔn)模型Fig.1 Reference model for analysis
根據(jù)文獻(xiàn)[9]所述計(jì)算方法,建立本文的分析基準(zhǔn)模型如圖1。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,根據(jù)不同的分析工況選用對(duì)應(yīng)的幾何、力學(xué)參數(shù)?;鶞?zhǔn)模型(即無(wú)結(jié)構(gòu)病害模型)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,襯砌為45 cm厚的等厚截面,荷載按深埋條件計(jì)算,參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70 -2004)[12]相關(guān)計(jì)算方法和公式,分別計(jì)算得到:豎向荷載q=109.56 kN/m;水平荷載e=16.43 kN/m。根據(jù)分析目的設(shè)計(jì)的計(jì)算工況見(jiàn)表2。值得說(shuō)明的是,表2中的病害程度是指材料參數(shù)在參照值的基礎(chǔ)上降低的程度,如劣化程度為20%時(shí),則是指材料參數(shù)在基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上降低20%,余同。
表1 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters
表2 分析工況Table 2 Analysis cases
施工過(guò)程中質(zhì)量控制不嚴(yán),運(yùn)營(yíng)過(guò)程中賦存環(huán)境的侵蝕都會(huì)造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能隨時(shí)間逐步降低,當(dāng)降低到一定程度時(shí),其承載能力將不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全使用的要求,導(dǎo)致工程事故的出現(xiàn)。而材料劣化程度可采用統(tǒng)一的材料力學(xué)參數(shù)降低的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),劣化范圍可通過(guò)考慮在一定范圍內(nèi)的襯砌單元材料力學(xué)參數(shù)的降低來(lái)實(shí)現(xiàn)。分別建立了襯砌結(jié)構(gòu)材料全局劣化模型和局部劣化模型,綜合不同特征參數(shù)的排列組合,共計(jì)算了25個(gè)不同劣化程度和劣化范圍工況。
圖2為不同劣化程度時(shí)各截面安全系數(shù)分布,圖3為劣化程度與襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)的關(guān)系。從中可見(jiàn):
(1)隨著材料劣化程度的降低,襯砌結(jié)構(gòu)截面最小安全系數(shù)隨之呈線(xiàn)性減小,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)逐漸低于規(guī)范允許值,結(jié)構(gòu)承載能力逐漸減小,襯砌結(jié)構(gòu)趨于不安全狀態(tài)。
(2)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)截面最小安全系數(shù)的降低速率與材料劣化程度呈同比例關(guān)系。這與計(jì)算模型有關(guān),本文采用的是荷載-結(jié)構(gòu)模型,其荷載和邊界條件是一定的,而所有材料特性均按彈性考慮,且沒(méi)有考慮其高階幾何非線(xiàn)性,因此為一幾何和材料均為線(xiàn)彈性關(guān)系的模型。
圖2 全局劣化各截面安全系數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of each section safety factor with overall degradation
圖3 全局劣化襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)Fig.3 The minimum safety coefficient of lining structure with overall degradation
局部劣化對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響分析包括兩方面內(nèi)容,一是劣化范圍不變,不同劣化程度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響分析;二是劣化程度不變,不同劣化范圍對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響分析。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,僅選取拱頂和一側(cè)拱腰進(jìn)行計(jì)算分析。
(1)局部劣化程度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響分析。計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)圖4~圖6。從中分析可得:
1)與全局劣化相比,局部劣化時(shí),其安全系數(shù)僅在劣化的局部發(fā)生變化,而其他部位不變。
2)拱頂材料局部劣化時(shí),各截面最小安全系數(shù)隨劣化程度呈曲線(xiàn)變化,而拱腰劣化時(shí),各截面最小安全系數(shù)隨劣化程度呈線(xiàn)性變化,與全局劣化變化趨勢(shì)一致,分析其原因主要有兩方面:一方面是所建立的模型為荷載-結(jié)構(gòu)模型,未能考慮高階幾何非線(xiàn)性所引起的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,因此,無(wú)論是局部劣化還是全局劣化,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布基本不變;另一方面襯砌結(jié)構(gòu)僅按彈性材料考慮,而選取的隧道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在拱頂部位有較大的安全儲(chǔ)備,因此對(duì)于拱頂?shù)妮p度局部劣化,不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)大小。
圖4 拱頂局部劣化各截面安全系數(shù)分布圖Fig.4 Distribution of each section safety factor with crown degradation
圖5 拱腰局部劣化各截面安全系數(shù)分布圖Fig.5 Distribution of each section safety factor with hance degradation
(2)局部劣化范圍對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響分析。計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)圖7。從圖中可見(jiàn):由于本計(jì)算采用的是幾何和材料均為線(xiàn)彈性模型,故無(wú)論結(jié)構(gòu)的劣化范圍如何改變,其計(jì)算內(nèi)力均變化微小,因此當(dāng)劣化程度一定時(shí),各截面安全系數(shù)及最小安全系數(shù)并不隨劣化范圍的改變而變化。
圖6 局部劣化襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)Fig.6 The minimum safety coefficient of lining structure with local position degradation
圖7 拱頂/拱腰局部不同劣化范圍時(shí)各截面安全系數(shù)Fig.7 Distribution of each section safety factor with different degrading scope on crown and hance
平面結(jié)構(gòu)襯砌厚度不足可利用病害實(shí)際厚度、實(shí)際襯砌厚度和厚度不足范圍3個(gè)參數(shù)來(lái)表征,為簡(jiǎn)化起見(jiàn),將病害位置簡(jiǎn)化為拱頂和兩側(cè)拱腰3個(gè)特征位置,同時(shí)考慮到模型的對(duì)稱(chēng)性,僅選取一側(cè)拱腰進(jìn)行具體分析。綜合各特征參數(shù),共計(jì)算了20個(gè)工況。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8~圖10。從圖中可見(jiàn):
(1)相比較于材料劣化對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響,襯砌厚度不足其影響范圍更大,不僅是欠厚局部安全系數(shù)降低,在欠厚相鄰位置同樣存在不同程度的降低,但降低幅度不大。說(shuō)明襯砌厚度不足比材料劣化更直接地降低了結(jié)構(gòu)剛度,對(duì)襯砌的安全性影響更大。
(2)當(dāng)拱頂襯砌厚度減薄至參照厚度的60%時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)截面安全系數(shù)急劇線(xiàn)性下降,而拱腰襯砌厚度不足程度與襯砌截面安全系數(shù)基本上呈線(xiàn)性減小。
圖8 拱頂局部欠厚時(shí)各截面安全系數(shù)分布圖Fig.8 Distribution of each section safety factor with insufficient thickness on crown
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11~圖13。從圖中可見(jiàn):
(1)當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)局部范圍厚度不足時(shí),其安全系數(shù)僅在欠厚范圍內(nèi)下降,而對(duì)其他部位基本無(wú)影響。
(2)襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)隨拱頂欠厚范圍的增大而呈曲線(xiàn)減小;而拱腰欠厚情況,在欠厚大于0.5 m寬后,襯砌結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)保持不變,主要原因?yàn)榕c所選取的參照設(shè)計(jì)有關(guān)。
圖9 拱腰局部欠厚時(shí)各截面安全系數(shù)分布圖Fig.9 Distribution of each section safety factor with insufficient thickness on hance
圖10 局部欠厚程度與襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)的關(guān)系圖Fig.10 Relation between the minimum safety factor of lining structure and degree of insufficient thickness at local position
圖11 拱頂局部欠厚范圍不同時(shí)各截面安全系數(shù)分布圖Fig.11 Distribution of each section safety factor with different insufficient thickness scope on crown
由于施工控制和施工工藝以及隧道圍巖的復(fù)雜多變,隧道施工過(guò)程中難免存在超欠挖,而后期回填不實(shí)或者未回填,則襯砌背后將出現(xiàn)不同程度的空洞情況。在空間結(jié)構(gòu)分析中,襯砌背后空洞參數(shù)包括空洞寬度、空洞高度和空洞位置。對(duì)于荷載-結(jié)構(gòu)模型,無(wú)法反映空洞的深度,同時(shí)通常隧道的空洞大部分出現(xiàn)在拱頂部位。因此,僅對(duì)隧道頂部出現(xiàn)不同寬度的空洞情況進(jìn)行具體研究。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14~圖15。
圖12 拱腰局部不同欠厚范圍時(shí)各截面安全系數(shù)分布圖Fig.12 Distribution of each section safety factor with different insufficient thickness scope on hance
圖13 局部欠厚范圍與襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)的關(guān)系圖Fig.13 Relation between the minimum safety factor of lining structure and insufficient thickness scope at local position
圖14 拱頂不同脫空寬度時(shí)各截面安全系數(shù)分布圖Fig.14 Distribution of each section safety factor with different cavity wide behind lining on crown
從圖中分析可得:
(1)脫空寬度在1.0 m及其以下時(shí),隧道襯砌結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)分布較均勻,而當(dāng)脫空寬度大于1.0 m時(shí),各截面安全系數(shù)分布離散性很大,尤其當(dāng)脫空寬度大于2.0 m時(shí),拱肩至拱頂大部分范圍的截面安全系數(shù)均下降很快,不能滿(mǎn)足安全運(yùn)營(yíng)的要求。
圖15 拱頂脫空寬度與襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)的關(guān)系圖Fig.15 Relation between the minimum safety factor of lining structure and cavity wide behind lining on crown
(2)拱頂脫空的存在改變了襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),相比于材料劣化和襯砌厚度不足2類(lèi)病害,其影響范圍更大。
(3)隨著脫空寬度的增大,襯砌結(jié)構(gòu)各截面最小安全系數(shù)先逐漸增大,爾后線(xiàn)性急速下降。初步分析其原因?yàn)?,?dāng)脫空較小時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形模式變化不大,但由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受到的外力減小了,因此,截面的最小安全系數(shù)有所增加;當(dāng)脫空范圍進(jìn)一步增大時(shí),圍巖的約束作用改變了,襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形狀態(tài)產(chǎn)生明顯變化,拱頂部位出現(xiàn)負(fù)彎矩,破壞形式由原來(lái)的受壓破壞發(fā)展成為受拉破壞,最小安全系數(shù)急劇減小。
綜合上述分析可知,隧道襯砌背后脫空主要改變了隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài),對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響極大,特別是當(dāng)空洞寬度大于2.0 m時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)將失去應(yīng)有的承載能力,無(wú)法保證結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)。
(1)隨著材料劣化程度的降低,襯砌結(jié)構(gòu)截面最小安全系數(shù)隨之呈同比例線(xiàn)性下降,而安全系數(shù)減小的范圍與劣化范圍有關(guān),材料劣化的局部位置,截面安全系數(shù)下降明顯。
(2)襯砌結(jié)構(gòu)局部范圍厚度不足直接減小了結(jié)構(gòu)截面剛度,其安全系數(shù)隨之減小,亦主要發(fā)生在欠厚局部位置。
(3)隧道襯砌背后脫空主要改變了隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài),相對(duì)于其他2類(lèi)病害,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響最大,特別是當(dāng)空洞寬度大于2.0 m時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)將失去應(yīng)有的承載能力。
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Safety influence of operating highway tunnel caused by sturcture disease
LI Bin1,LEI Ming-feng2,LI Wen-hua2
(1.School- run Industry Department,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410076,China;2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)
Safety influence of operating road tunnel caused by 3 types of structure diseases,such as material degradation of tunnel concrete,insufficient thickness of lining and cavity behind lining,was studied systematically based on structure-load plane analysis model.The results show:(1)the minimum safety factor of lining structure section declines linearly with concrete degrading,especially the degrading local position;(2)structure stiffness decreases directly because of insufficient thickness of lining,and the safety performance of insufficient position declines too;(3)mode of stress and strain is changed because of the existence of cavity behind lining which is the maximum influence factor,especially,if the cavity scope exceeds 2 m.Acted by surrounding rock load,serious structure disease will appear on the lining structure including cracking and spalling till to lose its bearing capacity completely or out of normal service condition.
road tunnel;structure disease;material degradation;insufficient thickness;cavity behind lining;safety influence
U457.2
A
1672-7029(2011)05-0040-06
2011-08-25
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(973:2011CB013802);鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大課題(2009G005-E;2008G025-C);湖南省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX2010B094)
李 彬(1964-),男,湖南邵陽(yáng)人,高級(jí)工程師,從事土木工程施工與管理方面的工作