劉蘭利

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 工程概況

京承鐵路21號(hào)隧道為1936年修建的舊京承鐵路的一部分，至今已使用了70多年。隧道位于上板城—承德站區(qū)間，距承德站約4 km，全長188 m，承德方向位于半徑為400 m的曲線上，洞內(nèi)坡度為2.5‰，北京方向位于直線上，洞內(nèi)坡度為5.7‰。隧道斷面為馬蹄形，襯砌變截面，厚度從拱頂0.40 m增大至墻腳0.73 m。隧道工程位置出露地層為元古界震旦系下統(tǒng)(Z1)的白云巖，灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中層狀構(gòu)造，進(jìn)口段0～+50 m和出口段+168～+188 m為Ⅳ級(jí)圍巖，洞身段+50～+168為Ⅲ級(jí)圍巖。由于隧道設(shè)計(jì)及建造時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相差較大，加之多年的使用和解放戰(zhàn)爭時(shí)期遭受火災(zāi)，襯砌發(fā)生多處裂縫、滲漏水甚至破碎掉塊等病害。

2 隧道病害檢測(cè)

由于隧道已運(yùn)營很久，現(xiàn)隧道襯砌出現(xiàn)開裂、錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏水和冬季掛冰等病害。為保證隧道現(xiàn)階段的安全性，首先對(duì)既有隧道襯砌病害的現(xiàn)狀、地形地質(zhì)情況等進(jìn)行全面調(diào)查，然后進(jìn)行全面的檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)成果對(duì)隧道的安全性進(jìn)行評(píng)估。

2.1 檢測(cè)內(nèi)容及方法

1)采用觀測(cè)和尺量法查明襯砌裂縫位置、長度、寬度，表面破損位置、面積、深度，滲漏水情況。

2)采用超聲波法探查襯砌裂縫的深度。

3)采用地質(zhì)雷達(dá)方法探查隧道襯砌厚度，鋼筋鋼架分布，襯砌背后不密實(shí)及空洞的位置、規(guī)模。

4)采用超聲回彈綜合法檢測(cè)隧道襯砌混凝土強(qiáng)度。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

1)隧道襯砌裂縫檢測(cè)

隧道全長范圍內(nèi)主要有環(huán)向裂縫75條、縱向裂縫14條及斜向裂縫4條。從數(shù)量上看絕大部分為環(huán)向裂縫，縱向和斜向裂縫均較少。環(huán)向裂縫長度＞13 m的有12條，且裂縫寬度較大(1～20 mm)，多為自左墻腳經(jīng)拱頂至右墻腳的貫穿型裂縫，這些裂縫降低了隧道縱向剛度。其它環(huán)向裂縫大多長度不大(一般裂縫長度為3～7 m)，裂縫寬度也較小。由于隧道為地下線狀結(jié)構(gòu)物，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，這些小的環(huán)向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不大。

在18條縱、斜向裂縫中，較長的縱向裂縫有4條。最長的縱向裂縫長度為22 m，位于進(jìn)洞口附近的左邊墻上。其它縱、斜向裂縫長度一般為2～7 m，寬度基本上在0.5～2.0 mm，大多分布于墻腳以上2.5 m左右的邊墻上，但在襯砌拱腰和拱腳處也各有1條縱向裂縫。由于縱向裂縫會(huì)降低隧道橫截面的承載能力，因此對(duì)于縱向裂縫應(yīng)該引起足夠的重視。

采用超聲波法對(duì)隧道襯砌主要裂縫的深度進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)量裂縫20條，裂縫深度一般13～30 cm，屬中等偏大裂縫。

2)隧道破損和滲漏水

隧道拱部局部段發(fā)生襯砌掉塊，面積不大。隧道滲漏水主要集中在隧道進(jìn)出口段和隧道內(nèi)+80～+130范圍內(nèi)，冬季有掛冰現(xiàn)象。滲漏水主要受大氣降水和地下水的影響。隧道的局部破損和滲漏水大多集中在裂縫處。

3)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

本次地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道共布置測(cè)線5條，拱頂1條、拱腰2條、邊墻2條。拱頂和拱腰檢測(cè)是利用軌道車作為工作平臺(tái)。經(jīng)檢測(cè)隧道襯砌局部存在厚度不足情況，但襯砌厚度一般均＞35 cm。在隧道襯砌中未發(fā)現(xiàn)鋼筋，但在進(jìn)洞口5～80 m的兩側(cè)邊墻處有加固邊墻用的鋼軌拱架，間距1.0 m左右。隧道襯砌邊墻及拱頂背后均有多處圍巖不密實(shí)或存在空洞、圍巖中積水等病害。

4)襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

由于既有隧道運(yùn)輸繁忙，天窗點(diǎn)較少，所以超聲回彈法測(cè)區(qū)布置在隧道的左右邊墻上。在隧道左右邊墻上每5～10 m布設(shè)一個(gè)測(cè)區(qū)，整個(gè)隧道共布置了55個(gè)測(cè)區(qū)。根據(jù)超聲回彈綜合法測(cè)試的回彈值和波速值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、修正及計(jì)算，得到測(cè)區(qū)測(cè)定強(qiáng)度值為16～28 MPa，平均實(shí)測(cè)強(qiáng)度推算值為24.8 MPa，計(jì)算時(shí)隧道襯砌混凝土按C20考慮。

2.3 需重點(diǎn)分析的隧道病害

隧道多處存在裂縫，裂縫走向以環(huán)向縫居多，邊墻及拱腰有部分縱向裂縫。進(jìn)口段襯砌拱腳處有長短不一的錯(cuò)臺(tái)、局部有破損掉塊現(xiàn)象。襯砌右邊墻、左拱腰以及拱頂均發(fā)現(xiàn)有空洞積水區(qū)。此外裂縫較寬的環(huán)向裂縫處有滲漏水的現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查和檢測(cè)結(jié)果，下列兩種病害將對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，須進(jìn)行重點(diǎn)分析:

1)襯砌背后存在空洞時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響。

2)隧道襯砌存在縱向裂縫時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響。

3 隧道狀態(tài)安全性檢算

由于隧道病害類型、位置、規(guī)模不同，對(duì)隧道安全性的影響也不相同，因此需研究襯砌在深埋荷載作用下的受力狀態(tài)，根據(jù)病害(開裂、背后空洞)之后襯砌的受力狀態(tài)來評(píng)價(jià)現(xiàn)階段隧道的安全性。隧道由圍巖和結(jié)構(gòu)共同組成，圍巖既是荷載的來源，又與結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系。結(jié)構(gòu)的功能主要是加固和支撐圍巖、維護(hù)和發(fā)揮圍巖自身的承載和穩(wěn)定能力。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用有限元法并采用荷載—結(jié)構(gòu)計(jì)算模式對(duì)隧道安全性進(jìn)行檢算。

3.1 隧道計(jì)算荷載確定

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)，深埋圍巖壓力按松散壓力考慮(側(cè)壓力系數(shù)取0.15)，其荷載模式及節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖1、圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)編號(hào)

3.2 不考慮襯砌病害情況

在圖1的荷載作用下，不考慮隧道破損時(shí)，其襯砌內(nèi)力分布如圖3所示。

圖3 不考慮破損時(shí)襯砌內(nèi)力

分別計(jì)算隧道二次襯砌各個(gè)位置的內(nèi)力及安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明:在不考慮隧道襯砌病害情況下，其受力最不利位置為拱頂(15～17號(hào)節(jié)點(diǎn))。拱頂處的軸力值為－198 kN(受壓)，彎矩值為57.2 kN·m，安全系數(shù)只有2.1，受拉控制，安全系數(shù)小于規(guī)范要求值。襯砌最大軸力和彎矩均在左右墻腳處，分別為592 kN和104.4 kN·m，但是由于墻腳處襯砌厚0.73 m(較厚)，墻腳處安全系數(shù)仍然較高。

由此可見隧道襯砌軸力值較小而彎矩值較大，襯砌最不利位置在隧道拱頂。

3.3 襯砌背后有空洞的情況

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，既有隧道邊墻、拱腰和拱頂二襯背后均存在空洞，分別對(duì)這3種空洞分布進(jìn)行了分析(由于荷載的對(duì)稱性，只計(jì)算右側(cè)背后有空洞的情況)。由于空洞使得襯砌變形后不會(huì)受到圍巖的約束反力，因此對(duì)結(jié)構(gòu)受力是不利的。分別對(duì)邊墻背后空洞(環(huán)向長度2.0 m)、拱腰背后空洞(環(huán)向長度1.5 m)和拱頂背后空洞(環(huán)向長度1.5 m)3種類型進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 隧道襯砌背后空洞引起的安全系數(shù)變化

從表1可知，當(dāng)襯砌背后與圍巖之間存在空洞時(shí)，空洞處襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增大，安全系數(shù)減小。比較空洞存在于隧道襯砌邊墻、拱腰及拱頂3種情況，邊墻背后存在空洞時(shí)結(jié)構(gòu)的受力最為不利，拱腰次之，在側(cè)壓較小的情況下范圍較小的拱頂空洞對(duì)襯砌整體受力影響不顯著。

總的來說，隧道邊墻背后存在空洞時(shí)，襯砌拱頂和有空洞的側(cè)邊墻安全系數(shù)均小于規(guī)范要求值，其它情況時(shí)拱頂?shù)陌踩禂?shù)也小于規(guī)范要求值。

3.4 襯砌有縱向開裂的情況

根據(jù)裂縫檢測(cè)結(jié)果，縱向裂縫病害主要分布在邊墻和拱腳處，當(dāng)襯砌開裂后，在荷載作用下開裂的部分不能承受彎矩，其截面有效抗彎剛度會(huì)降低。分別選取左邊墻裂縫(+103 m斷面附近，位于左邊墻以上1.5 m處裂縫深25.91 cm)和右拱腳裂縫(+184 m斷面附近，裂縫深24.11 cm)2種裂縫分布情況對(duì)隧道安全性進(jìn)行檢算，縱向裂縫引起的完全系數(shù)變化見表2。

由表2可知，在左邊墻(影響范圍為5～7號(hào)節(jié)點(diǎn))或右拱腳(影響范圍為21～24號(hào)節(jié)點(diǎn))襯砌開裂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致病害處的襯砌安全系數(shù)降低。與襯砌完好時(shí)相比，左邊墻的安全系數(shù)減小67%，右拱腳的安全系數(shù)減小49%。但是由于側(cè)壓力相對(duì)較小，襯砌開裂處截面剪應(yīng)力不大，最小安全系數(shù)仍可達(dá)6.8，剪應(yīng)力也滿足規(guī)范要求。

隧道襯砌開裂主要發(fā)生在邊墻及拱腳處，通過安全性檢算可知，邊墻及拱腳處襯砌開裂后，裂縫附近區(qū)域內(nèi)襯砌安全性均有一定程度的降低，但由于邊墻及拱腳處襯砌原有安全系數(shù)較高，因此開裂后該部位的安全系數(shù)仍能滿足規(guī)范要求。

表2 隧道縱向裂縫引起的安全系數(shù)變化

4 結(jié)論

1)通過對(duì)京承鐵路21號(hào)隧道不考慮襯砌病害和考慮襯砌背后有空洞、襯砌有縱向開裂等病害時(shí)的安全性檢算可知，在深埋圍巖荷載作用下，襯砌拱頂安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，但是由于最小安全系數(shù)＞2，因此目前尚可維持運(yùn)營。

2)當(dāng)襯砌背后與圍巖之間存在空洞時(shí)，受空洞影響的區(qū)域，襯砌結(jié)構(gòu)安全性均有不同程度的降低。相比較而言，襯砌邊墻背后存在空洞對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最為不利。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)邊墻背后有＞2 m的空洞時(shí)，可導(dǎo)致邊墻處襯砌受拉，安全系數(shù)減小至3.0，受拉控制，不滿足規(guī)范要求。

3)隧道襯砌開裂將導(dǎo)致裂縫附近襯砌安全系數(shù)降低，但本隧道襯砌開裂主要發(fā)生在邊墻及拱腳處，這些部位原有安全儲(chǔ)備較高，因此開裂后邊墻及拱腳處襯砌安全性仍能滿足規(guī)范要求。

4)由于既有隧道已運(yùn)營多年且病害嚴(yán)重，經(jīng)穩(wěn)定性檢算其安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，只是尚可維持運(yùn)營，且存在安全隱患，為保證既有隧道的運(yùn)營安全，建議對(duì)既有隧道襯砌背后不密實(shí)、空洞和不小于2 mm環(huán)向裂縫及不小于1 mm的縱向裂縫等隧道病害進(jìn)行注漿加固。

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