中铁某标段隧道衬砌脱空对结构安全的影响分析

铁路隧道衬砌脱空对结构安全的影响分析1概述2脱空的数值模拟3脱空的原因4安全影响分析隧道衬砌脱空对结构安全的影响5结论随着铁路建设的范围越来越广泛，铁路隧道面临的地质、设计、施工及结构安全问题较以往更具有特殊性和典型性。隧道衬砌结构是否可靠，主要由地质条件、设计参数、施工质量以及相应的建设管理等因素控制。由于铁路隧道衬砌断面考虑空气动力学原因，隧道断面较大，给隧道施工质量提出了更高的要求。按照新奥法的设计理念，隧道衬砌与围岩紧密贴合，共同受力变形，设计计算中也考虑隧道衬砌背后的围岩可以提供连续的径向弹性抗力。1概述隧道衬砌脱空对结构安全的影响1概述然而，由于施工质量问题，隧道衬砌与背后围岩脱空，未密贴，围岩未提供连续有效的弹性抗力，衬砌结构承载不均匀，产生不均匀地层反力，引起结构局部地方应力集中，严重影响结构安全储备，危害结构安全，实际工程中造成结构开裂、掉块，局部结构防排水措施失效等病害。本文结合某铁路隧道的工程实例，以数值模拟为手段，分析不同脱空部位及脱空范围对结构受力特征的影响，为铁路隧道的结构安全提供技术基础及方案处理对策。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.1数值计算模型建立及参数取值由于隧道背后脱空现象多发生于岩层条件较好的硬质岩中，以典型的灰岩隧道为例，隧道断面深埋，围岩为17-8灰岩(D2q)：浅灰、灰色，中厚层状，岩质硬脆，节理裂隙弱发育，地下水弱发育。断面采用地层结构法进行了Ⅲ级围岩隧道平面应变分析，III级A型复合式衬砌断面如图1所示。计算模型横向宽度180m，纵向高度150m，直角坐标系的坐标原点位于仰拱中心。隧道衬砌脱空对结构安全的影响假设围岩材料均服从Mohr-Coulomb准则，四面体单元进行离散；隧道二衬采用弹性梁单元模拟，左侧边墙脚处的单元为1#，顺时针编号，二衬共划分了92个单元。在整体坐标系里，X轴平行于隧道断面且与水平地面平行，Y轴垂直向上，Z轴沿隧道中线，静力分析中X方向约束法向位移，底部边界约束X、Y方向位移，共离散了2740个单元，2850个节点。数值计算各参数取值见表1。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.1数值计算模型建立及参数取值隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟图1：III级A型复合式衬砌断面示意图2.1数值计算模型建立及参数取值隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟表1：模拟参数取值2.1数值计算模型建立及参数取值项目名称E/MPaμ天然容重γ(kN/m3)内聚力c(kPa)内摩擦角φ(º)围岩37000.2825110044二衬300000.2225————2.2静力模拟工况本次模拟共进行了10种工况的分析，考虑沿拱圈0.5m范围内混凝土与二衬脱离来进行模拟，共划分了16个脱空单元，如图2所示。模拟主要分为4种类型10个小项，分别为：二衬与围岩紧密贴合无脱空、拱顶脱空、拱腰脱空和边墙脱空，具体工况如表2所示。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟图2：数值模拟16个脱空单元示意图隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.2静力模拟工况隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟表2：数值模拟工况表2.2静力模拟工况项目名称模拟内容无脱空二衬与围岩紧密贴合拱顶脱空1m单元1与二衬分离2m单元1、单元2与二衬分离4m单元1~单元4与二衬分离拱腰脱空1m单元9与二衬分离2m单元9、单元10与二衬分离4m单元9~单元12与二衬分离边墙脱空1m单元13与二衬分离2m单元13、单元14与二衬分离4m单元13~单元16与二衬分离2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)[6]的衬砌计算方法，混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按下式计算：1675.101hebhRKN式中R1——混凝土的抗拉极限强度；e0——截面偏心距(m)，对混凝土矩形截面构件，当e0≤0.20h时，抗压强度控制承载能力，按式(1)计算。2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟通过数值模拟计算，得到二衬轴向内力结果，按下式计算截面安全系数，评价脱空对二衬的影响。K=ϕaRabh(抗压控制)(3)NK=ϕ1.75R1bh(抗压控制)(4)N(6e0/h-1)2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟10种数值模拟工况的衬砌轴力及弯矩图如表3所示。不同脱空部位对应的各截面安全系数K分布图如图3~图5所示。结果显示，在0~4m范围内，脱空4m时，对二衬结构内力及截面安全系数K影响最大。2.3计算结果隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟表3：数值模拟各工况衬砌轴力及弯矩图模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图无脱空31#Kmax=47.751#Kmin=14.19隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图拱顶脱空1m25#Kmax=51.351#Kmin=14.202脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图拱顶脱空2m26#Kmax=53.641#Kmin=14.202脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图拱顶脱空4m32#Kmax=58.6035#Kmin=6.392脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图拱腰脱空1m30#Kmax=48.141#Kmin=14.192脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图拱腰脱空2m31#Kmax=47.931#Kmin=14.192脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图拱腰脱空4m29#Kmax=50.2446#Kmin=1.782脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图边墙脱空1m30#Kmax=48.4852#Kmin=14.132脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图边墙脱空2m29#Kmax=48.5653#Kmin=11.492脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯矩图边墙脱空4m29#Kmax=49.8055#Kmin=1.292脱空的数值模拟2.3计算结果续表3隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.3计算结果图3：不同拱部脱空宽度对应的各截面安全系数K分布图隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.3计算结果图4：不同拱腰脱空宽度对应的各截面安全系数K分布图隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.3计算结果图4：不同边墙脱空宽度对应的各截面安全系数K分布图隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.3计算结果拱部脱空4m时，衬砌截面安全系数K跳动很明显，波动大于10%的衬砌长度超过8m，24#和34#单元(拱顶衬砌脱空与未脱空衔接处)K值由45左右降低至6.6，降幅达85%，但衬砌截面具备一定的安全储备，满足规范要求，同时部分截面由于内力减小，安全系数K有一定幅度的升高。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.3计算结果拱腰脱空4m时，脱空处前后约11m范围内的二衬截面安全系数K值波动超过10%，46#及47#单元(拱脚处)K值由19降低至1.8，降幅几近91%，影响范围向拱顶及边墙两个方向延伸，较相同的拱顶脱空宽度影响范围增加。隧道衬砌脱空对结构安全的影响2脱空的数值模拟2.3计算结果边墙脱空4m时，41#~66#单元约13m范围内二衬截面安全系数K值波动超过10%，特别是55#单元(边墙脱空中部单元)K值由15.45降低至1.29，降幅为91.65%，但影响范围波及到的拱腰及仰拱部分单元截面K值有不同程度的提高。相同的脱空宽度，边墙脱空引起截面K值波动范围最大，最不利截面安全储备降低最大，已经不满足设计规范要求，局部结构被破坏。隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因表4为西南山区高速铁路某灰岩隧道无损检测结果，结果显示围岩条件较差时脱空缺陷率较低，各级围岩拱顶与拱腰脱空缺陷率明显高于边墙脱空缺陷率，结合现场检测结果及隧道施工质量控制过程，隧道二衬与围岩脱空的原因主要包括以下4个方面：洞室开挖成型效果、混凝土浇筑、衬砌模板台车强度及防水板安装。隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.1开挖成型效果由表4可知，开挖过程中的二衬脱空主要出现在II、III级围岩地段，脱空缺陷率较IV、V级围岩明显偏高，这段围岩若光爆效果较差，开挖成型效果不好，且初支喷射混凝土与设计厚度不符，表面平整度差，常常造成二衬混凝土与围岩不密贴，施工过程中的质量控制是初支表面平整度的决定性因素。隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.1开挖成型效果对于IV、V级围岩地段，小间隙脱空因围岩变形逐渐与二衬外缘贴合，脱空率较低，但高速铁路隧道断面一般均设置格栅或型钢钢架，受钢架架设因素影响，喷射混凝土在钢架间的平整度相对无钢架支护时可以较易控制，但如果钢架间喷射混凝土不饱满，或者局部超欠挖使得钢架难以按设计位置安装，则会造成相邻钢架起伏过大，进而导致初支不平整度过大。隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.1开挖成型效果设置钢架地段初支还存在一个不容忽视的情况，格栅钢架一般高度12cm或16cm，钢筋间距较密，密集的钢筋导致喷射混凝土难以按设计要求成型；另外喷射混凝土难以密贴型钢钢架翼缘板与围岩间较小的缝隙，也会造成人为脱空，此类脱空随机性较大，难以检测及控制。此外，对于裂隙较发育岩体局部掉块部位，若锚杆、钢筋网未按设计施作或现场处理不当，掉块空腔内混凝土未喷射封闭密实，同样会造成二衬与围岩脱空。隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.1开挖成型效果表4：某隧道二次衬砌背后脱空情况统计围岩级别检测长度(米)缺陷长度(米)脱空缺陷率拱顶左拱腰右拱腰左边墙右边墙合计II2041410.5207.55575.6%III2548242.5125.5131111.598.57095.6%IV1085733250.519.523.5198.53.7%V54724.510.515.535.5592.2%合计4384354178.5217141.5132.51023.54.7%脱空缺陷率8.1%4.1%4.9%3.2%3.0%4.7%隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.2混凝土浇筑数值模拟结果显示，边墙脱空对二衬的影响最大，是最不利工况，然而在实际施工中，边墙大范围脱空的情况很少见，主要原因在于混凝土在浇筑过程中是一种流动体，受重力影响，大面积浇筑时，边墙的空腔最易充填密实，而拱顶及拱腰处最易出现二衬脱空的情况，主要由以下几方面控制：隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.2混凝土浇筑(1)混凝土浇筑过程中未振捣密实，浇筑完成后混凝土受自重影响向边墙处下沉，拱部压力减小，造成拱部纵向脱空。同理，在反坡施工时，与上一个循环已施作完毕的衬砌间也容易出现自重影响下的增压气囊，造成二衬背后环向脱空。隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.2混凝土浇筑(2)混凝土浇筑至拱部时，一般临近本循环混凝土浇筑结束，剩余混凝土数量难以精确掌握，容易导致拱顶混凝土灌注量不足；另外灌注过程压力变化，导致拱部局部地区泵送混凝土不到位，二衬脱空。灌注完毕后，衬砌背后二次注浆孔堵塞或衬砌背后注浆施作不到位，也会造成衬砌与围岩的不密贴。隧道衬砌脱空对结构安全的影响3脱空的原因3.2混凝土浇筑(3)泵送混凝土仅利用个别窗口浇筑时，易出现混凝土流动距离过长的情况，距灌注窗口较远处，混凝土供应数量不足、输送泵压力不足或运行故障而易造