許 培

（中鐵十八局集團(tuán)國際工程有限公司，天津 300350）

1.引言

近年來，軌道交通快速發(fā)展，在解決城市交通問題上取得較高的成就。在地鐵運(yùn)營過程中，隧道的結(jié)構(gòu)病害是不容小覷的病害，給地鐵運(yùn)營安全造成一定的安全隱患。目前國內(nèi)對于隧道安全性評價(jià)的研究較少，而隨著城市軌道交通運(yùn)營量的增加，對隧道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價(jià)研究分析就突顯出其重要性。

2.工程概況

某地鐵隧道采取的施工方法為盾構(gòu)法。通過對隧道的襯砌病害進(jìn)行調(diào)研，該隧道裂縫病害主要如圖1 所示。該隧道襯砌所采用的方法是現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 隧道裂縫形式

3.地鐵隧道襯砌破壞機(jī)理

圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)是影響隧道結(jié)構(gòu)問題的關(guān)鍵因素。對地鐵隧道安全性而言，結(jié)構(gòu)變形以及裂縫的狀態(tài)是較能反映其狀態(tài)的因素。導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形以及裂縫的因素大抵可分為兩類，即外因以及內(nèi)因。本文主要采用直觀分析法，從內(nèi)因入手研究分析隧道襯砌的破壞機(jī)理。

3.1 結(jié)構(gòu)自身因素對隧道襯砌破壞分析

本文共選取隧道斷面形式作為研究對象。并且隧道跨度呈現(xiàn)逐漸減小。文中各項(xiàng)參數(shù)所取數(shù)值如表1 所示。圍巖條件選取隧道施工時(shí)參見的粗細(xì)砂、粉土等。

表1 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 隧道結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的相對收斂分析

對于隧道的相對收斂而言，在遭到破壞時(shí)有豎向以及水平兩種方向。采用直觀分析法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得到隧道結(jié)構(gòu)襯砌在遭到破壞時(shí)對其收斂而言主要的影響因素和不利影響的組合。該過程可分為兩步：（1）通過對各個(gè)影響因素取值所對應(yīng)的相對收斂以及隧道的裂縫狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析得出其綜合平均值。通過分析某因素在n 處的綜合平均取值，可得到地鐵隧道在破壞時(shí)其綜合平均取值的最大值即為最不利因素。對于隧道結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的相對收斂可通過對最不利因素的進(jìn)行組合即可得到最不利條件。（2）通過計(jì)算各種影響因素的綜合平均值的極差，并采用排序的方法對極差進(jìn)行排列，即可得到隧道破壞時(shí)各個(gè)指標(biāo)的主要影響因素。

由于篇幅限制，本文直接得出結(jié)果：對不同因素下的地鐵隧道結(jié)構(gòu)綜合均值的極差以及最大相對收斂值進(jìn)行分析可知，對于隧道的豎向收斂而言，隧道結(jié)構(gòu)的斷面形式是影響隧道豎向收斂的主要影響因素，而影響最小的是鋼筋直徑的大?。粚τ谒淼澜Y(jié)構(gòu)襯砌的水平相對收斂而言，最大的影響因素是圍巖的側(cè)壓力，影響最小的是初支以及二襯之間的摩擦系數(shù)。

4.地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性評價(jià)

承受圍巖荷載以便于形成穩(wěn)定空間的即為隧道結(jié)構(gòu)襯砌。隧道結(jié)構(gòu)襯砌需確保在運(yùn)營期間始終滿足列車所需的車輛限界，但在長時(shí)間的圍巖壓力以及材料老化等因素下，隧道結(jié)構(gòu)襯砌無法避免裂縫的產(chǎn)生。若不進(jìn)行外力干擾，則容易導(dǎo)致裂縫的加劇導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形增加，最后致使隧道結(jié)構(gòu)襯砌的失穩(wěn)。本文采用模糊綜合評價(jià)法，以隧道結(jié)構(gòu)襯砌的結(jié)構(gòu)變形為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全性評價(jià)。

4.1 安全性指標(biāo)

針對地鐵運(yùn)營的環(huán)境特點(diǎn)，本文從地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的收斂變形以及二襯裂縫的狀態(tài)評價(jià)地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌的安全性。指標(biāo)具體如下所示：

地鐵隧道結(jié)構(gòu)的豎向δV以及水平δh收斂是隧道結(jié)構(gòu)收斂變形的表征，如圖2 所示。

圖2 隧道斷面收斂示意圖

通過研究分析得，裂縫在隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞時(shí)包括有產(chǎn)生以及發(fā)展兩種狀態(tài)，因此本文將襯砌裂縫狀態(tài)評價(jià)的指標(biāo)設(shè)定為：隧道裂縫的深度c，寬度w，數(shù)量n 以及位置p，如圖3 所示。

圖3 隧道襯砌裂縫的狀態(tài)示意圖

總結(jié)上述分析可得出隧道的安全性評價(jià)指標(biāo)共有6 項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)。可將其分為：目標(biāo)層，類指標(biāo)層，基礎(chǔ)指標(biāo)層三個(gè)層次，其中作為層次分析的最終目標(biāo)的是目標(biāo)層，并且該層還作為地鐵運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

4.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

通過對各個(gè)影響因素進(jìn)行權(quán)數(shù)分析，進(jìn)而得出各個(gè)影響因素的重要程度。通過閱讀文獻(xiàn)等方法，本文采用標(biāo)度法對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 各級評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

4.3 安全度

本文采用安全度的形式描述地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性。對于不同工程而言，可根據(jù)各自的基礎(chǔ)指標(biāo)參數(shù)和不同的權(quán)重計(jì)算方法進(jìn)行安全度的計(jì)算。本文根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論的方法以及文中采用的類指標(biāo)，對安全度進(jìn)行定義。在安全性評價(jià)地鐵結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間的核心是避免發(fā)生安全事故，即確保隧道的收斂變形以及裂縫在可控制的范圍以內(nèi)，對于該種情況可采取安全度的方式進(jìn)行描述。

4.4 隧道結(jié)構(gòu)相對收斂δ 分級標(biāo)準(zhǔn)

通過將隧道豎向以及水平的收斂除去隧道垂直方向的內(nèi)凈空H 以及水平方向的內(nèi)凈空S，即可得將正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一化處理，結(jié)果如表3 所示。

表3 隧道收斂在不同工況下的收斂變化統(tǒng)一化處理結(jié)果

為了確保能與安全性評價(jià)的等級可以相對應(yīng)，按照3 類方式對δ 的等級進(jìn)行分級。將分級標(biāo)準(zhǔn)定為隧道結(jié)構(gòu)襯砌變形的上下限，并通過取整處理的方式處理各個(gè)指標(biāo)，以便于實(shí)際的操作，所得結(jié)果如表4 所示。

表4 δ 類基礎(chǔ)指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)

4.5 結(jié)構(gòu)裂縫狀態(tài)C 分級標(biāo)準(zhǔn)

通過對各個(gè)工況狀態(tài)下的襯砌裂縫調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，并為使其調(diào)查結(jié)果更加直觀，將裂縫的深度以及厚度C/h 進(jìn)行比較以及剪裂縫的寬度和深度w/c 進(jìn)行比較即可得到c 和w 的統(tǒng)一化處理，處理結(jié)果如表5 所示。

表5 隧道結(jié)構(gòu)裂縫在不同工況下的指標(biāo)統(tǒng)一化處理結(jié)果

采用同上述一致的方法，使其與安全性分級對應(yīng)，可得出C 的3 類等級分類。如表6 所示。

表6 C 類基礎(chǔ)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)

綜上所示，通過數(shù)值計(jì)算得到了各個(gè)定量基礎(chǔ)指標(biāo)分類的標(biāo)準(zhǔn)，并且通過對定性指標(biāo)裂縫位置進(jìn)行模擬試驗(yàn)的方法，得出結(jié)果：裂縫出現(xiàn)的頻率最高位置為拱腳，并且是最有可能貫徹整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)的裂縫，因此將其定為最危險(xiǎn)的等級C 級；而仰拱位置的裂縫則次之，定為B 級；拱腰位置則屬于出現(xiàn)裂縫頻率最低的位置，定為A 級?；A(chǔ)指標(biāo)安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表7 所示。

表7 地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

5.結(jié)語

本文從隧道的相對收斂入手，對隧道襯砌破壞的影響因素進(jìn)行分析，得出影響隧道結(jié)構(gòu)襯砌的豎向收斂的主要因素是隧道結(jié)構(gòu)的斷面形式，對于水平收斂的主要影響因素是圍巖的側(cè)壓力。對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性評價(jià)，通過建立三級指標(biāo)體系的方法對地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌在遭到破壞時(shí)的收斂變形以及裂縫參數(shù)等進(jìn)行評價(jià)。