田岳松

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

1 概述

隧道工程在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用，隧道二襯結(jié)構(gòu)既承擔(dān)隧道荷載，又起到裝飾作用，正可謂內(nèi)實(shí)外華。二襯結(jié)構(gòu)檢測(cè)是隧道施工驗(yàn)收的重要內(nèi)容，是確保隧道安全運(yùn)營的重要保障。

隧道二襯結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)多使用地質(zhì)雷達(dá)。地質(zhì)雷達(dá)通過高頻電磁波進(jìn)行掃描，當(dāng)電磁波遇到不均勻介質(zhì)時(shí)，其反射系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)物的目的。然而，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)僅能探測(cè)出二襯結(jié)構(gòu)是否密實(shí)，或有無鋼筋缺失，難以查明結(jié)構(gòu)受力情況。

一些專家對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行相關(guān)研究，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。崔蓬勃等針對(duì)膨脹力對(duì)運(yùn)營期間隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行研究[1]；余永康等應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道二襯作用效應(yīng)及分擔(dān)比進(jìn)行研究[2-3]；胡慶龍等研究隧道襯砌缺陷問題，并提出鋼筋混凝土套襯整治方案[4]；常偉學(xué)等研究隧道二襯施工鋼筋間距問題[5-6]；李忠凱等在管棚的設(shè)計(jì)與施工方法、管棚支護(hù)的力學(xué)機(jī)理、實(shí)際工程數(shù)值模擬等方面做了大量研究[7-9]；李崇威等總結(jié)了二次襯砌的機(jī)械配置在二次混凝土澆筑過程中的作用以及施工中的關(guān)鍵技術(shù)[10-11]；王吉成研究高鐵隧道二襯頂拱帶模注漿孔的布置、注漿要求、注漿材料性能等[12]；尹承紅等結(jié)合大瑞鐵路隧道二襯拱頂防脫空施工技術(shù)，介紹了隧道二襯拱頂防脫空施工工藝及方法，總結(jié)了施工經(jīng)驗(yàn)[13]；劉振青等研究了高性能混凝土在隧道二襯結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[14]；譚賢君等對(duì)寒區(qū)隧道二襯混凝土冬季施工溫控技術(shù)進(jìn)行研究，為類似工程安全、快速實(shí)施提供借鑒[15]。

以上學(xué)者主要針對(duì)于不同環(huán)向鋼筋間距、二襯頂部脫空、二襯內(nèi)單層鋼筋條件下二襯結(jié)構(gòu)的安全性問題進(jìn)行研究，但是其并未涉及較長(zhǎng)段隧道二襯鋼筋全部缺失情況，以下采用ANSYS建模對(duì)二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，綜合考慮鋼筋缺失情況、圍巖類型、隧道埋深、拱墻厚度等因素，得出隧道斷面各部分的軸力圖、彎矩圖，再運(yùn)用破損階段法計(jì)算出各部分的抗拉抗壓安全系數(shù)，從而判斷出隧道二襯是否安全。

2 工程概況

2.1 隧道概況

石家莊某隧道直線段處為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖，該地段為單斜構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，給施工帶來較大難度。采用鋼格柵φ6.5@150 mm鋼筋網(wǎng)片及C25網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行初期支護(hù)，豎井鋼格柵四角設(shè)置I22a工字鋼斜撐進(jìn)行加強(qiáng)，二襯采用C35模筑混凝土。隧道狀況如圖1。

圖1 某隧道直線段狀況

2.2 地質(zhì)概況

石家莊地區(qū)屬于華北地塊一級(jí)大地構(gòu)造單元，為相對(duì)穩(wěn)定地塊。隧道采用暗挖及明挖兩種方式開挖，全長(zhǎng)約5 495.7 m，未見地下水。其中，DK26+039～DK26+500段處于安山巖地層，為Ⅳ級(jí)圍巖，淺灰色，弱風(fēng)化，巖體較完整，呈塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。存在二襯缺陷的段落有3段，也處于安山巖地層，分別為:DK28+400～DK30+560、DK30+698～DK31+000、DK45+035～DK45+055，均為Ⅴ級(jí)圍巖，灰紫色、灰綠色，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈破碎狀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算

3.1 評(píng)估依據(jù)

基于破損階段法理論，以二襯結(jié)構(gòu)破壞時(shí)受力情況為根據(jù)，綜合考慮材料的塑性性能并引入抗拉抗壓安全系數(shù)，依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，礦山法隧道應(yīng)采用曲墻式襯砌，并宜采用復(fù)合式襯砌。計(jì)算復(fù)合式襯砌時(shí)，初期支護(hù)應(yīng)按主要承載結(jié)構(gòu)計(jì)算，二次襯砌在Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖情況下，宜按承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 計(jì)算公式

(1)隧道深淺埋的劃分

劃分隧道深埋與淺埋時(shí)，有

（3）如果容量為1MW及其以上的發(fā)電機(jī)定子繞組和引出線出現(xiàn)短路，需要裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。其保護(hù)配置作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路的主要保護(hù)，能及時(shí)、靈敏地切除內(nèi)部所發(fā)生的故障，確保動(dòng)作的選擇性與工作的安全性。

Hp=(2～2.5)hq

(1)

(2)

式中：Hp為淺埋隧道分界深度；hq為荷載等效高度；q為深埋隧道垂直壓力；γ為圍巖容重。

令Hp取最大值，經(jīng)計(jì)算，4段隧道Hp分別為7.095 m、15.323 m、15.323 m、9.903 m，而此4段隧道實(shí)際埋深均超20 m，故判別為深埋隧道。

(2)深埋圍巖壓力計(jì)算

圍巖垂直均布?jí)毫?/p>

q=γh=0.45×2s-1ωγ

(3)

式中，s為圍巖級(jí)別；ω為寬度影響系數(shù)；B為隧道最大開挖跨度，應(yīng)考慮超挖影響。

隧道二襯荷載承載能力有一定范圍，A段(DK26+039～DK26+500)無結(jié)構(gòu)缺陷，二襯荷載分擔(dān)比例取最大值；其余3段存在鋼筋缺失，二襯荷載分擔(dān)比例取最小值(見表1、表2)。

表1 圍巖水平均布?jí)毫?/p>

表2 二襯再分配比例系數(shù)及垂直水平荷載

①偏心受壓結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度為

K1N≤φαRabh

(4)

式中：Ra為混凝土抗壓極限強(qiáng)度；K1為抗壓安全系數(shù)；b為截面的寬度；h為截面厚度；α為軸向力偏心影響系數(shù)。

②偏心受壓結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度為

(5)

式中：Rl為混凝土的抗拉極限強(qiáng)度；e0為截面偏心距；K2為抗拉安全系數(shù)。

4 二襯鋼筋缺失結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

4.1 參數(shù)選取和模型建立

通過無破損檢測(cè)，表明隧道正洞DK26+039～DK26+500段鋼筋信號(hào)正常，DK28+400～DK300+560、DK30+698～DK31+000和DK45+035～DK45+055段拱頂無明顯鋼筋信號(hào)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3～表5。基于隧道安全考慮，對(duì)上述4段二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析。

表3 各里程段襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 圍巖物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表5 C35混凝土物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

應(yīng)用AutoCAD軟件，按照相應(yīng)尺寸取點(diǎn)k1～k40連線模擬隧道斷面，再導(dǎo)入ANSYS軟件。Beam3為對(duì)稱單元，等截面二襯采用Beam3單元，非對(duì)稱截面采用Beam54單元；二襯選用C35參數(shù)；根據(jù)圍巖級(jí)別不同選用對(duì)應(yīng)的地層彈性約束(彈性模量、泊松比)。根據(jù)二襯截面具體受力狀況加載，進(jìn)行后處理得出彎矩、軸力(如圖3)及具體數(shù)值(見表6～表8)。進(jìn)一步計(jì)算出抗壓抗拉安全系數(shù)，與抗壓強(qiáng)度規(guī)范安全系數(shù)2.4、抗拉強(qiáng)度規(guī)范安全系數(shù)3.6進(jìn)行比較，得出結(jié)構(gòu)安全評(píng)估結(jié)論。

表6 DK26+039～DK26+500段結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算結(jié)果

表7 DK28+400～DK300+560段結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算結(jié)果

表8 二襯結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估結(jié)果

圖2 二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

4.2 二襯結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

無缺陷段DK26+039～DK26+500具體建模及計(jì)算過程如圖3所示。

圖3 Ⅳb型復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計(jì)( 單位：cm)

根據(jù)上述彎矩值、軸力值求偏心距，有

e0=M/N

(6)

①e0/h>0.2時(shí)，屬于抗拉控制，有

Nu=min(1×a×Ra×b×h/1 000(1×1.75×R1×h×b)/(6×e0/h-1)/1 000)；抗拉安全系數(shù)=Nu/N>3.6，滿足要求。

②e0/h<0.2時(shí)，屬于抗壓控制，有

抗壓安全系數(shù)=Nu/N>2.4，滿足要求。

5 改進(jìn)方案

鋼筋缺失會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全造成較大威脅。由表7可知，DK28+400～DK300+560段鋼筋缺失，抗拉安全系數(shù)不滿足需求，存在極大安全隱患，必須進(jìn)行安全改造。對(duì)于較長(zhǎng)段隧道二襯鋼筋缺失情況，可以鑿除二襯，確保伸出鋼筋搭接長(zhǎng)度合格，消除松散的混凝土，清理開鑿面使其干凈整潔并做鑿毛處理，然后完成排水系統(tǒng)的修補(bǔ)，最后澆筑混凝土。經(jīng)過二次驗(yàn)收，各段隧道均已滿足結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)論

通過ANSYS有限元分析，運(yùn)用破損階段法計(jì)算得出的各段隧道數(shù)據(jù)結(jié)果與第三方地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)結(jié)果相符，該評(píng)估方案相較其他方案，能更直觀展現(xiàn)出二襯結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；引入安全系數(shù)較其他復(fù)核方案更準(zhǔn)確地分析二襯結(jié)構(gòu)的安全性。全斷面鋼筋在承載力極限范圍內(nèi)，均正常工作。拱部鋼筋缺失造成二襯結(jié)構(gòu)不能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，抗拉控制安全系數(shù)降低均超過70%，承載力不能滿足隧道二襯承載力要求。必須做好包括鑿除二襯、添加鋼筋等的補(bǔ)強(qiáng)措施以保證二襯結(jié)構(gòu)安全。