姚成睿，李 科，江星宏，吳尚東，肖仕來(lái)

1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074

2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，我國(guó)的隧道事業(yè)取得了跨越式的發(fā)展，截至2020年年底，我國(guó)既有隧道的數(shù)量超過(guò)了35000座，里程超過(guò)了3700萬(wàn)m。數(shù)量龐大的隧道在助力我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的同時(shí)，也帶來(lái)了巨大的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)壓力。我國(guó)早期隧道的施工大多未采取防水措施，導(dǎo)致這些隧道在運(yùn)營(yíng)期存在普遍的滲漏水病害。我國(guó)有關(guān)部門(mén)于1997年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：在全國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道中存在滲漏水病害的隧道占70%[1]。史娥[2]、謝榆[3]、鈄逢光等[4]、鄒育麟等[5]學(xué)者相繼對(duì)全國(guó)不同地區(qū)、不同數(shù)量的運(yùn)營(yíng)隧道開(kāi)展了病害調(diào)研工作，調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)：樣本中近84%的隧道存在不同程度的滲漏水病害。董飛等[6]、吳玉哲等[7]的調(diào)研分析則表明：滲漏水現(xiàn)象不僅直接影響隧道的運(yùn)營(yíng)安全，還會(huì)導(dǎo)致襯砌其他病害的產(chǎn)生。襯砌滲漏水病害普遍存在，危害嚴(yán)重，成為隧道工程人員亟須攻克的難題。目前，針對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)的問(wèn)題，楊啟航[8]、陳鵬[9]、王華牢等[10]、趙博劍等[11]主要基于模糊綜合評(píng)價(jià)法、分層綜合評(píng)價(jià)法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法展開(kāi)研究；所構(gòu)建的襯砌滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)體系往往存在指標(biāo)量化困難、標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)承載安全未關(guān)聯(lián)及方法實(shí)際應(yīng)用復(fù)雜等缺點(diǎn)，故有必要對(duì)滲漏水病害條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的承載安全量化指標(biāo)進(jìn)行研究，構(gòu)建一種與襯砌結(jié)構(gòu)承載安全相關(guān)聯(lián)的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

基于此，文章在調(diào)研大量國(guó)內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)者研究論文的基礎(chǔ)上，對(duì)規(guī)范與研究成果中的運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水病害的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析及總結(jié)，指出了其存在的不足，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)外水壓作用下的襯砌承載力學(xué)特性進(jìn)行了分析，確定了運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步提出了基于承載安全的襯砌滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和病害應(yīng)對(duì)措施。

1 既有隧道滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)方法分析

1.1 既有評(píng)價(jià)方法調(diào)研

文章通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，將國(guó)內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系與學(xué)者研究成果中關(guān)于運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水的評(píng)價(jià)方法匯總?cè)绫?所示。從表1中可以看出：（1）既有運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水評(píng)價(jià)指標(biāo)以襯砌表觀(guān)滲水狀態(tài)為主，而滲漏水狀態(tài)難以定量評(píng)價(jià)；（2）我國(guó)的《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H12—2015）、《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)——隧道》，以及李鑫[12]和張建偉[13]所提出的分級(jí)方法在滲漏水狀態(tài)的基礎(chǔ)上將滲漏水部位與對(duì)行車(chē)的影響納入了指標(biāo)體系，相比于其他規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)襯砌滲漏水的定性評(píng)價(jià)方面顯得更加全面；（3）既有方法所包含的可量化分級(jí)指標(biāo)僅有pH值，而pH值只體現(xiàn)了滲漏水病害的腐蝕作用，不能綜合反映滲漏水病害對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載安全的影響[14-16]；（4）規(guī)范與既有研究對(duì)襯砌滲漏水狀態(tài)的分級(jí)多基于病害的表觀(guān)現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中，評(píng)價(jià)結(jié)果易受到評(píng)價(jià)人員主觀(guān)判斷的影響，因此缺乏可靠性；（5）薛亞?wèn)|等[17]提出將滲漏水的面積和高寬比作為滲漏水狀態(tài)的量化標(biāo)準(zhǔn)，然而漏水的面積和高寬比在實(shí)際隧道檢測(cè)難以量測(cè)，故實(shí)用性不佳；（6）國(guó)內(nèi)外學(xué)者的所提出的滲漏水病害評(píng)價(jià)方法多基于模糊數(shù)學(xué)法、分層綜合法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法，這些方法原理復(fù)雜，難以供隧道運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)人員使用。

表1 運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水的評(píng)價(jià)方法匯總表

1.2 既有規(guī)范與研究成果的不足

文章調(diào)研了國(guó)內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的襯砌滲漏水病害評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)，以及國(guó)內(nèi)學(xué)者在運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水病害分級(jí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)方面的研究成果，發(fā)現(xiàn)既有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和研究成果存在以下不足。

（1）國(guó)內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于隧道襯砌滲漏水的分級(jí)評(píng)價(jià)多基于病害表觀(guān)現(xiàn)象，沒(méi)有具有說(shuō)服力的可量化指標(biāo)。

（2）現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的襯砌滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有將襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形狀態(tài)納入考量，缺乏與結(jié)構(gòu)承載安全的關(guān)聯(lián)。

（3）國(guó)內(nèi)外學(xué)者所提出的隧道襯砌滲漏水的分級(jí)評(píng)價(jià)方法多基于模糊綜合法、分層評(píng)價(jià)法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，這些方法大多原理復(fù)雜，難以供隧道運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)人員使用。

2 外水壓作用下的襯砌承載力學(xué)特性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算說(shuō)明

文章擬采用數(shù)值計(jì)算的方法研究運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在外水壓作用下的承載力學(xué)特性，計(jì)算分析的內(nèi)容包括Ⅳ、Ⅴ圍巖條件下3種不同厚度的隧道襯砌在0～20m逐米增加的外水頭作用下的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)位移分布特性。計(jì)算所使用的荷載結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值計(jì)算相關(guān)參數(shù)

圖1 荷載結(jié)構(gòu)模型示意圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分析。在不同圍巖級(jí)別、不同厚度條件下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨靜水壓力的變化情況如圖2所示。從圖2中可以看出：①隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)隨外水頭高度增加而減小；②同等圍巖級(jí)別情況下，襯砌厚度越大，襯砌結(jié)構(gòu)各部位的安全系數(shù)與襯砌整體安全系數(shù)就越大，相同襯砌厚度情況下，圍巖條件越好，襯砌結(jié)構(gòu)各部位及襯砌整體的安全系數(shù)就越大。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨水頭高度變化情況

（2）結(jié)構(gòu)位移分析。不同圍巖條件下，不同厚度的襯砌結(jié)構(gòu)的豎向相對(duì)沉降與水平相對(duì)收斂隨靜水壓變化情況如圖3所示。從圖3中可以看出：①不同工況下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的豎向相對(duì)沉降與水平相對(duì)收斂隨外水頭高度的增加而增加的規(guī)律，但從增量絕對(duì)值大小上看，靜水壓力對(duì)襯砌豎向相對(duì)沉降的影響遠(yuǎn)大于水平相對(duì)收斂，因此可將豎向相對(duì)沉降值視為結(jié)構(gòu)位移增量；②不同工況下，襯砌的豎向相對(duì)沉降雖然都隨外水頭高度的增加而增加，但從曲線(xiàn)斜率上看，沉降明顯分為兩個(gè)階段，一是在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，襯砌豎向相對(duì)沉降在0～11m的外水頭高度范圍內(nèi)增加較緩慢，在12m水頭高度以后增加較迅速，二是在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，襯砌豎向相對(duì)沉降在0～14m的外水頭高度范圍內(nèi)增加較緩慢，在14m以上的水頭高度增加較迅速；③同等圍巖條件下，襯砌厚度越小，其最終沉降量和沉降增量絕對(duì)值都越大；④同等厚度的襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖條件越差，其豎向相對(duì)沉降的值越大，但是沉降的增量絕對(duì)值越小。

圖3 結(jié)構(gòu)位移隨水頭高度變化情況

3 評(píng)價(jià)方法研究

對(duì)照?qǐng)D2，可得到不同圍巖條件、不同襯砌厚度下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)在不同安全系數(shù)時(shí)所對(duì)應(yīng)的外水頭高度。以安全系數(shù)1.5、2.4和3.3為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的承載安全狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可得到隧道襯砌承載安全狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。從表3中可以看出：（1）對(duì)于安全系數(shù)1.5控制標(biāo)準(zhǔn)，外水頭高度超30.0m；（2）對(duì)于安全系數(shù)2.4控制標(biāo)準(zhǔn)，外水頭高度為15.0m；（3）對(duì)于安全系數(shù)3.3控制標(biāo)準(zhǔn)，外水頭高度為5m。

表3 隧道襯砌承載安全狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 單位：mm

表3實(shí)質(zhì)上反映了隧道襯砌在不同承載安全狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的滲漏水病害特性，而圖3則是對(duì)不同滲漏水病害特性下襯砌結(jié)構(gòu)位移增量的描述，因此結(jié)合表3與圖3可以得到隧道襯砌在不同承載安全狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)位移增量，如表4所示。從表4中可以看出：（1）對(duì)于安全系數(shù)1.5控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)位移增量約為16.0mm；（2）對(duì)于安全系數(shù)2.4控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)位移增量約為6.0mm；（3）對(duì)于安全系數(shù)3.3控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)位移增量約為4.0mm。

表4 不同承載安全狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)位移增量 單位：mm

結(jié)合表3、表4，以結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)與結(jié)構(gòu)位移增量為分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可構(gòu)建基于承載安全的隧道襯砌滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示。該標(biāo)準(zhǔn)在理論上與襯砌結(jié)構(gòu)的承載安全狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，在實(shí)際應(yīng)用中其評(píng)價(jià)指標(biāo)也易于獲得。

表5 基于承載安全的襯砌滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

文章圍繞運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水病害分級(jí)評(píng)價(jià)方法的問(wèn)題，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的襯砌滲漏水病害評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，分析了不同圍巖級(jí)別下，不同厚度的隧道襯砌在外水壓力作用下的承載力學(xué)特性，得到了如下主要結(jié)論。

（1）在外水壓力的作用下，當(dāng)外水頭高度達(dá)到30.0m時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.5，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)豎向相對(duì)沉降量為16.0mm；當(dāng)外水頭高度達(dá)到15.0m時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.4，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)豎向相對(duì)沉降量為6.0mm；當(dāng)外水頭高度達(dá)到5.0m時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為3.3，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)豎向相對(duì)沉降量為4.0mm。

（2）基于承載安全的運(yùn)營(yíng)隧道襯砌滲漏水分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與結(jié)構(gòu)位移增量，分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)安全系數(shù)限界值為1.5、2.4、3.3，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)豎向相對(duì)沉降限界值為16.0mm、6.0mm、4.0mm。