基于鐵路隧道二次襯砌鋼筋間距超標(biāo)問題的分析

何明峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

Based Railway Tunnel Lining Reinforcement Spacing Over the Issue of Secondary Analysis

HE Mingfeng

基于鐵路隧道二次襯砌鋼筋間距超標(biāo)問題的分析

何明峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

Based Railway Tunnel Lining Reinforcement Spacing Over the Issue of Secondary Analysis

HE Mingfeng

摘要基于實(shí)際工程中鐵路隧道二次襯砌鋼筋間距超標(biāo)問題，結(jié)合實(shí)例，通過對(duì)承載結(jié)構(gòu)的檢算分析，確定隧道結(jié)構(gòu)的安全使用狀態(tài)，判斷是否進(jìn)行拆除返工處理。

關(guān)鍵詞鐵路隧道襯砌鋼筋間距超標(biāo)

1概述

某鐵路隧道上覆第四系全新統(tǒng)坡崩積相粉質(zhì)黏土、碎石土，坡洪積相粉質(zhì)黏土，沖洪積相松軟土、細(xì)圓礫土、卵石土、漂石土，坡殘積相粉質(zhì)黏土，下伏基巖為三迭系中統(tǒng)砂巖、泥巖互層。該隧道265-277段圍巖級(jí)別及設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1　設(shè)計(jì)參數(shù)

施工完畢后，按照相關(guān)要求，在拱頂、左右拱腰、左右邊墻和左右側(cè)隧底中線共計(jì)布置了7條測(cè)線，采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道襯砌施工質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，265-277段拱墻雷達(dá)圖像情況如圖1。

圖1　地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖像

雷達(dá)圖像分析揭示，265-277段12 m范圍內(nèi)拱墻鋼筋間距超標(biāo)，鋼筋間距平均約40 cm，不滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)右邊墻位置進(jìn)行破檢揭示，鋼筋實(shí)際間距與無損檢測(cè)結(jié)果相符。

針對(duì)鋼筋間距超標(biāo)問題，對(duì)該段隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的檢算分析，判定隧道結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)，如果處于安全狀態(tài)，則可避免拆除返工處理。

2隧道深埋與淺埋的判定

隧道深埋與淺埋的判定應(yīng)按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素按式(1)綜合判定

(1)

式中Hp——淺埋隧道分界深度/m；

hq——荷載等效高度/m，按下式計(jì)算

式中q——深埋隧道垂直壓力/(kN/m2)；

γ——圍巖容重/(kN/m3)。

礦山法施工條件下，Ⅳ-Ⅵ級(jí)圍巖取Hp=2.5hq。

經(jīng)計(jì)算后可知，IVB圍巖雙線隧道深淺埋臨界埋深為17.7 m，265-277段隧道埋深103 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)處于深埋狀態(tài)。

3隧道深埋條件圍巖壓力計(jì)算方法

計(jì)算深埋隧道襯砌時(shí)，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平均布?jí)毫砂聪铝幸?guī)定確定。

垂直均布?jí)毫Π词?2)計(jì)算確定

q=γh

(2)

式中Hp——淺埋隧道分界深度/m；

γ——圍巖容重/(kN/m3)；

q——垂直均布?jí)毫?(kN/m2)；

h——荷載等效高度/m；

s——圍巖級(jí)別；

ω——寬度影響系數(shù)，ω=1+i (B-5)；

B——隧道最大開挖跨度，應(yīng)考慮超挖影響/m；

i-B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減值，以B=5 m的隧道圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B<5 m時(shí)取i=0.2，當(dāng)B>5 m時(shí)取i=0.1。

水平均布?jí)毫砂幢?確定。

表2　圍巖水平均布?jí)毫?/p>

4圍巖壓力分配比例

采用荷載結(jié)構(gòu)模式計(jì)算時(shí)，考慮到隧道開挖引起的荷載釋放和初期支護(hù)、二次襯砌間的分配，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)(隧道)》和通常做法，二次襯砌承擔(dān)的荷載Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖取計(jì)算荷載的30%加載；Ⅳ級(jí)圍巖取計(jì)算荷載的50%加載，Ⅴ級(jí)圍巖取計(jì)算荷載的70%加載。

深埋條件主要荷載即圍巖垂直壓力和圍巖水平壓力分布見圖2。

圖2　深埋條件主要荷載作用示意

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)規(guī)定，混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)如表3、表4。

根據(jù)表3和表4，在二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，由于采用主要荷載組合，如果襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度(即混凝土抗壓強(qiáng)度控制)，檢算安全系數(shù)應(yīng)≥2.4；如果襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度(即混凝土抗裂強(qiáng)度控制)，檢算安全系數(shù)應(yīng)≥3.6；如果襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度(即鋼筋抗拉強(qiáng)度控制)，檢算安全系數(shù)應(yīng)≥2.0。

表3　混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

表4　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

5安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用破損階段法對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢算。首先對(duì)二襯結(jié)構(gòu)按素混凝土襯砌對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗裂要求的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算，當(dāng)不滿足規(guī)范要求時(shí)，再以鋼筋混凝土界面強(qiáng)度進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)檢算。

6素混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度檢算

二次襯砌安全性評(píng)價(jià)將混凝土結(jié)構(gòu)視為壓彎構(gòu)件，抗壓安全系數(shù)按式(3)計(jì)算

(3)

式中K——混凝土的抗壓安全系數(shù)；

Ra——混凝土的極限抗壓強(qiáng)度；

N——混凝土的截面的計(jì)算軸力；

b——混凝土的截面寬度，取單位長度1 m；

h——混凝土的截面厚度；

φ——構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)；

α——軸向力的偏心影響系數(shù)，按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。

7鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)第11.2.10條規(guī)定：鋼筋混凝土矩形截面的大偏心受壓構(gòu)件(x≤0.55h0)，其截面強(qiáng)度應(yīng)按式(4)計(jì)算

(4)

式中K——安全系數(shù)；

N——軸向力；

b——截面的寬度/m；

h——截面的高度/m；

h0——截面的有效高度/m，h0=h-a；

Rw——混凝土的彎曲抗壓極限強(qiáng)度；

Ra——混凝土的抗壓極限強(qiáng)度；

Rg——鋼筋的抗拉或抗壓計(jì)算強(qiáng)度；

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.2.11條規(guī)定：鋼筋混凝土矩形截面的小偏心受壓構(gòu)件(x>0.55h0)，其截面強(qiáng)度應(yīng)按式(5)計(jì)算

(5)

8計(jì)算模型及計(jì)算方法

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為：根據(jù)現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的圍巖級(jí)別劃分，考慮隧道埋深，按荷載-結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，按破損階段法進(jìn)行強(qiáng)度校核，通過工程類比確定襯砌支護(hù)參數(shù)。計(jì)算復(fù)合式襯砌時(shí)，初期支護(hù)按主要承載結(jié)構(gòu)考慮，二次襯砌在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖可作為安全儲(chǔ)備，在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為承載結(jié)構(gòu)。

本次隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全評(píng)估分析采用有限元軟件ANSYS，用梁單元Beam3來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，用彈簧單元Link10(只受壓)來模擬初期支護(hù)對(duì)二次襯砌的抗力。對(duì)用彈簧單元外部施加固定約束，對(duì)梁單元施加荷載，計(jì)算得到二次襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后檢算其安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求。材料參數(shù)按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，如表5。

表5　材料參數(shù)

計(jì)算工況見表1，計(jì)算荷載見表6。

表6　計(jì)算荷載

隧道荷載—結(jié)構(gòu)模式有限元計(jì)算模型見圖3。

圖3　有限元計(jì)算模型

二次襯砌厚度如表7。

計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5。由計(jì)算結(jié)果可知，彎矩較大值出現(xiàn)在拱頂(A)、左右拱腰(B、B′)、左右墻角(C、C′)和左右側(cè)仰拱(D、D′)處。

表7　二次襯砌厚度

圖4　彎矩(單位：N·m)

圖5　軸力(單位：N)

依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)，對(duì)二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果如表8。

由表8可以看出，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度(即混凝土抗壓強(qiáng)度控制)，檢算安全系數(shù)最小為12.65，均≥2.4，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度(即混凝土抗拉強(qiáng)度控制)，檢算安全系數(shù)最小為5.13，均≥3.6，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度(即鋼筋抗拉強(qiáng)度控制)，檢算安全系數(shù)最小8.75，均≥2.0，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

表8　二次襯砌控制截面上安全系數(shù)

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)10.5.5條規(guī)定，單側(cè)縱向鋼筋的最小配筋率為0.2%，對(duì)于φ18的鋼筋，當(dāng)間距大于28 cm后，配筋就不能滿足最小配筋率的要求。

9結(jié)論

通過對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的檢算分析，混凝土抗壓控制最小安全系數(shù)為12.65；混凝土抗拉控制最小安全系數(shù)為5.13，鋼筋抗拉控制最小安全系數(shù)為8.75，滿足承載性能要求。且該隧道265-277段襯砌段落施工完畢至今，監(jiān)控觀測(cè)未發(fā)生任何異常，因此建議不進(jìn)行拆除返工處理。

在隧道襯砌結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量問題時(shí)，通過對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的檢算分析，判定承載結(jié)構(gòu)的安全使用狀態(tài)，如果處于安全狀態(tài)，則可避免拆除或返工處理，同時(shí)在某種程度上可解決工期和處理費(fèi)用問題。

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中圖分類號(hào)：U452

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0101-04

作者簡介：何明峰(1984—)，男，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2015-03-18