朱桂富 葉燦鐃 王健偉 李建有 張院生

1.浙江金溫鐵道開發(fā)有限公司， 浙江 溫州 325011； 2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司， 廣東 深圳 518054

隨著運(yùn)營隧道服役時間不斷增加，因施工工藝、施工管理造成的襯砌厚度不足的危害逐漸顯露，給隧道電氣化改造和運(yùn)營安全帶來極大隱患［1-3］。針對襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外學(xué)者開展了一定研究。李明等［4］通過模型試驗(yàn)，取結(jié)構(gòu)位移-荷載曲線的反彎點(diǎn)作為厚度不足襯砌極限承載力，根據(jù)襯砌極限承載力與有效厚度比的關(guān)系，構(gòu)建了厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)。宮艷萍［5］采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，針對不同部位、不同程度的厚度不足，分析了雙線曲墻式隧道襯砌的破壞過程，采用貝葉斯方法構(gòu)建襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)。時旦［6］通過數(shù)值模擬，針對襯砌厚度不足，分析襯砌安全系數(shù)與厚度不足缺陷長度的關(guān)系，并依此構(gòu)建了襯砌厚度不足缺陷長度分級標(biāo)準(zhǔn)。

既有的對襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)的研究多集中于雙線曲墻式隧道，而對單線直墻式隧道的研究相對較少。本文以金溫貨運(yùn)鐵路（金華—溫州）青田站—溫溪站區(qū)段為工程依托，構(gòu)建隧道襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)，為單線直墻式隧道襯砌的安全評價和缺陷整治提供參考。

1 工程概況

金溫貨運(yùn)鐵路于1998 年正式開通。全線共96 座隧道，隧道總長35 km。沿線隧道圍巖等級有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。巖性以砂礫巖、粉砂巖、流紋巖和凝灰?guī)r為主。隧道襯砌形式以單線直墻式為主。隧道凈寬、凈高分別為4.86、8.43 m，邊墻高5.50 m。全線隧道均設(shè)置C25素混凝土襯砌。

根據(jù)檢測報告，金溫貨運(yùn)鐵路隧道襯砌厚度不足缺陷共計27 391 處，存在厚度不足缺陷的測線長度共67 195.52 m，占檢測測線總長的37.89%。單處襯砌厚度不足缺陷長度最大值為604.94 m。部分隧道厚度不足段落長度占隧道長度的90%以上。

2 襯砌承載極限力的確定

2.1 確定方法

因金溫貨運(yùn)鐵路隧道襯砌均為素混凝土襯砌，故僅對素混凝土襯砌開展研究。

厚度不足主要影響襯砌極限承載力。對于素混凝土襯砌極限承載力有兩種確定方法：

1）將襯砌開裂作為極限承載狀態(tài)，對應(yīng)的荷載為抗裂極限承載力。

2）將襯砌最小主應(yīng)力（σ3）達(dá)到材料抗壓強(qiáng)度作為極限承載狀態(tài)，對應(yīng)的荷載稱為抗壓極限承載力。

2.2 襯砌加載數(shù)值模擬分析

采用荷載-結(jié)構(gòu)模型（圖1）進(jìn)行襯砌抗裂和抗壓極限承載力計算。模型縱向長度取6 m，混凝土采用非線性本構(gòu)模型。

圖1 計算模型

設(shè)置襯砌無缺陷，拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足四種工況。計算時，側(cè)壓力系數(shù)取0.15，地基反力系數(shù)取500 MPa/m。襯砌設(shè)計厚度取30 cm，有效厚度取15 cm?；炷翉?qiáng)度等級取C25，抗壓極限強(qiáng)度為19 MPa。豎向荷載（q）從0 開始，以5 kPa 為梯度逐級施加，取襯砌開裂和σ3達(dá)到材料抗壓強(qiáng)度前一級的豎向荷載作為極限承載力。

按抗裂控制，襯砌無缺陷和拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足四種工況襯砌極限承載力分別為130、125、175、115 kPa，拱頂、邊墻襯砌厚度不足時極限承載力分別下降3.85%、11.54%，拱腰襯砌厚度不足時極限承載力反而增大34.62%。

按抗壓控制，襯砌無缺陷和拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足四種工況襯砌極限承載力分別為695、465、525、180 kPa，拱頂、拱腰、邊墻襯砌厚度不足時極限承載力分別下降33.09%、24.46%、74.10%。

由以上分析可知：①厚度不足對抗裂極限承載力的影響小于對抗壓極限承載力的影響；②厚度不足并不一定會導(dǎo)致抗裂極限承載力降低。因此，選取抗壓極限承載力作為襯砌的極限承載力進(jìn)行襯砌厚度不足指標(biāo)的影響分析。

3 襯砌厚度不足評價體系的構(gòu)建

采用層次分析法構(gòu)建評價模型的指標(biāo)層和準(zhǔn)則層。

3.1 指標(biāo)層

不同部位襯砌厚度不足可通過實(shí)際厚度和厚度不足缺陷的長度進(jìn)行描述?；诖耍瑯?gòu)建襯砌厚度不足的評價指標(biāo)集合U，即

式中：hr、hd分別為襯砌實(shí)際厚度和設(shè)計厚度，cm；hr/hd為有效厚度比；L1為襯砌厚度不足缺陷的長度，m。

3.2 準(zhǔn)則層

采用襯砌厚度不足時極限承載力（q1）和襯砌無缺陷極限承載力（q0）的比值（α）表征缺陷危害程度。α越大，缺陷危害程度越小。按危害程度將厚度不足缺陷分為四個等級，1—4 級分別對應(yīng)輕微、中等、嚴(yán)重和極嚴(yán)重四種狀態(tài)。一般情況下，素混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓安全系數(shù)控制值為2.4，因此可以認(rèn)為α降至1/2.4（大約40%）時，結(jié)構(gòu)缺陷極嚴(yán)重。

對于某一處長度為L1的厚度不足，設(shè)α降至40%時的hr/hd為hr4/hd。采用兩種方法劃分等級。①方法1：依據(jù)(1 -hr/hd)/(1 -hr4/hd)確定厚度不足等級（C1）。(1 -hr/hd)/(1 -hr4/hd)分別處于［0，1/3）、［1/3，2/3）、［2/3，1）、≥1 區(qū)間時，對應(yīng)的C1分別取1、2、3、4。②方法2：依據(jù)α確定厚度不足等級（C2）。α分別處于 ≥80%、（60%，80%］、（40%，60%］、 ≤ 40%區(qū)間時，對應(yīng)的C2分別取1、2、3、4。

最終確定的襯砌厚度不足等級C= max(C1，C2)。

3.3 綜合分級及處置原則

按C值將厚度不足缺陷分為四個等級。評價準(zhǔn)則和處治措施見表1。

表1 襯砌厚度不足缺陷評價準(zhǔn)則和處治措施

4 襯砌厚度不足指標(biāo)對襯砌極限承載力的影響

以金溫貨線鐵路隧道為工程依托，取Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖典型襯砌參數(shù)進(jìn)行襯砌極限承載力計算。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖對應(yīng)的側(cè)壓力系數(shù)分別取0.15、0.30、0.50，地基反力系數(shù)分別取500、200、100 MPa/m，襯砌設(shè)計厚度分別取30、40、50 cm。

4.1 L1對襯砌極限承載力的影響

hr/hd取0.5，計算得到襯砌極限承載力隨L1變化曲線，見圖2?？芍孩俟绊敗⒐把r砌厚度不足時，L1對極限承載力影響不大。②邊墻襯砌厚度不足時，L1對極限承載力的影響較大，且極限承載力與L1負(fù)相關(guān)。為便于評價，按不利原則考慮，L1≤ 3 m 時L1取3 m，3 m ＜L1≤ 6 m時L1取6 m。

圖2 襯砌極限承載力隨L1變化曲線

4.2 hr/hd對襯砌極限承載力的影響

L1取3、6 m，計算得到襯砌極限承載力隨hr/hd變化曲線，見圖3?？芍簩τ诓煌r砌厚度不足缺陷長度，hr/hd對襯砌極限承載力均有明顯影響。

圖3 襯砌極限承載力隨hr/hd變化曲線

各有缺陷工況hr/hd值計算結(jié)果見表2。

表2 hr/hd值計算結(jié)果

4.3 襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)

構(gòu)建各部位襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)時作如下假定：①襯砌承擔(dān)荷載的不對稱性將加劇拱腰厚度不足的影響，故將拱頂、拱腰厚度不足統(tǒng)一考慮，取二者偏于不利的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建拱部襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)。②將Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖統(tǒng)一考慮，取三者偏于不利的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建拱部和邊墻襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述假定，一襯砌長度（L0）為6 m 區(qū)段襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 L0為6 m時襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)

為保證L0為任何值時評價標(biāo)準(zhǔn)的適用性，引入缺陷長度比γ=L1/L0。L1為3、6 m時γ分別為0.5和1.0。

本文構(gòu)建的襯砌厚度不足評價標(biāo)準(zhǔn)不宜比現(xiàn)行規(guī)范Q/CR 405.2—2019《鐵路橋隧建筑物劣化評定標(biāo)準(zhǔn) 第2 部分：隧道》中要求低。現(xiàn)行規(guī)范將hr/hd按≥ 0.90、［0.75，0.90）、［0.60，0.75）、＜ 0.60 分為1、2、3、4 級。若表3 較現(xiàn)行規(guī)范嚴(yán)格，則按表3進(jìn)行等級劃分，否則按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行劃分。

不同γ下依據(jù)hr/hd值確定的評價標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4 不同γ下依據(jù)hr/hd確定的評價標(biāo)準(zhǔn)

5 工程驗(yàn)證

魁市隧道位于青田站—溫溪站，起止里程K188 +368.5—K188 + 771.5，長403 m。隧址區(qū)巖性主要為弱風(fēng)化花崗巖和凝灰?guī)r。

1）K188 + 550 —K188 + 568段

該段長18 m，hd= 25 cm，L0= 6 m。該段可細(xì)分為三個區(qū)段，對應(yīng)里程為K188 + 550 —K188 + 556、K188 +556—K188 + 562、K188 + 562—K188 + 568。三個區(qū)段襯砌在拱頂均厚度不足，hr最小值分別為13.70、13.75、15.25 cm，hr/hd最小值分別為0.548、0.550 和0.610。前2 個區(qū)段hr/hd最小值均小于0.60，評定為4級；最后1 個區(qū)段hr/hd最小值介于0.60 ～ 0.75，評定為3級。

2）K188 + 754.5—K188 + 770.5段

該段長16 m，hd= 75 cm，L0= 8 m。該段可細(xì)分為兩個區(qū)段，對應(yīng)里程分別為K188 + 754.5 —K188 +762.5、K188 + 762.5—K188 + 770.5。兩個區(qū)段襯砌在右邊墻部位均厚度不足，L1均為8 m，γ均為1.0。第一個區(qū)段hd最小值為32.00 cm，hr/hd最小值為0.426，小于0.75，評為4級。第二個區(qū)段hd最小值為57.00 cm，hr/hd最小值為0.760，評為3級。

6 結(jié)論

1）襯砌加載模擬結(jié)果表明，厚度不足對襯砌抗裂極限承載力的影響小于對抗壓極限承載力的影響，且厚度不足并不一定會導(dǎo)致襯砌抗裂極限承載力降低。故選取抗壓極限承載力作為襯砌極限承載力。

2）采用層次分析法構(gòu)建評價模型的指標(biāo)層和準(zhǔn)則層。襯砌厚度不足時極限承載力降至無缺陷時的40%時，結(jié)構(gòu)缺陷極嚴(yán)重?；诖藰?gòu)建兩種評定方法，綜合考慮兩種方法的評定結(jié)果確定襯砌厚度不足等級。

3）根據(jù)襯砌厚度不足缺陷長度和有效厚度比對極限承載力的影響，結(jié)合兩種評定方法，建立了基于襯砌厚度不足缺陷長度比和有效厚度比的評價標(biāo)準(zhǔn)。