地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞影響因素與安全性評價

許 培

（中鐵十八局集團國際工程有限公司，天津 300350）

1.引言

近年來，軌道交通快速發(fā)展，在解決城市交通問題上取得較高的成就。在地鐵運營過程中，隧道的結(jié)構(gòu)病害是不容小覷的病害，給地鐵運營安全造成一定的安全隱患。目前國內(nèi)對于隧道安全性評價的研究較少，而隨著城市軌道交通運營量的增加，對隧道結(jié)構(gòu)的安全性進行評價研究分析就突顯出其重要性。

2.工程概況

某地鐵隧道采取的施工方法為盾構(gòu)法。通過對隧道的襯砌病害進行調(diào)研，該隧道裂縫病害主要如圖1 所示。該隧道襯砌所采用的方法是現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 隧道裂縫形式

3.地鐵隧道襯砌破壞機理

圍巖以及支護結(jié)構(gòu)是影響隧道結(jié)構(gòu)問題的關(guān)鍵因素。對地鐵隧道安全性而言，結(jié)構(gòu)變形以及裂縫的狀態(tài)是較能反映其狀態(tài)的因素。導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形以及裂縫的因素大抵可分為兩類，即外因以及內(nèi)因。本文主要采用直觀分析法，從內(nèi)因入手研究分析隧道襯砌的破壞機理。

3.1 結(jié)構(gòu)自身因素對隧道襯砌破壞分析

本文共選取隧道斷面形式作為研究對象。并且隧道跨度呈現(xiàn)逐漸減小。文中各項參數(shù)所取數(shù)值如表1 所示。圍巖條件選取隧道施工時參見的粗細砂、粉土等。

表1 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 隧道結(jié)構(gòu)破壞時的相對收斂分析

對于隧道的相對收斂而言，在遭到破壞時有豎向以及水平兩種方向。采用直觀分析法對計算結(jié)果進行分析，可得到隧道結(jié)構(gòu)襯砌在遭到破壞時對其收斂而言主要的影響因素和不利影響的組合。該過程可分為兩步：（1）通過對各個影響因素取值所對應(yīng)的相對收斂以及隧道的裂縫狀態(tài)進行計算分析得出其綜合平均值。通過分析某因素在n 處的綜合平均取值，可得到地鐵隧道在破壞時其綜合平均取值的最大值即為最不利因素。對于隧道結(jié)構(gòu)破壞時的相對收斂可通過對最不利因素的進行組合即可得到最不利條件。（2）通過計算各種影響因素的綜合平均值的極差，并采用排序的方法對極差進行排列，即可得到隧道破壞時各個指標的主要影響因素。

由于篇幅限制，本文直接得出結(jié)果：對不同因素下的地鐵隧道結(jié)構(gòu)綜合均值的極差以及最大相對收斂值進行分析可知，對于隧道的豎向收斂而言，隧道結(jié)構(gòu)的斷面形式是影響隧道豎向收斂的主要影響因素，而影響最小的是鋼筋直徑的大??；對于隧道結(jié)構(gòu)襯砌的水平相對收斂而言，最大的影響因素是圍巖的側(cè)壓力，影響最小的是初支以及二襯之間的摩擦系數(shù)。

4.地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性評價

承受圍巖荷載以便于形成穩(wěn)定空間的即為隧道結(jié)構(gòu)襯砌。隧道結(jié)構(gòu)襯砌需確保在運營期間始終滿足列車所需的車輛限界，但在長時間的圍巖壓力以及材料老化等因素下，隧道結(jié)構(gòu)襯砌無法避免裂縫的產(chǎn)生。若不進行外力干擾，則容易導(dǎo)致裂縫的加劇導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形增加，最后致使隧道結(jié)構(gòu)襯砌的失穩(wěn)。本文采用模糊綜合評價法，以隧道結(jié)構(gòu)襯砌的結(jié)構(gòu)變形為標準進行安全性評價。

4.1 安全性指標

針對地鐵運營的環(huán)境特點，本文從地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞時的收斂變形以及二襯裂縫的狀態(tài)評價地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌的安全性。指標具體如下所示：

地鐵隧道結(jié)構(gòu)的豎向δV以及水平δh收斂是隧道結(jié)構(gòu)收斂變形的表征，如圖2 所示。

圖2 隧道斷面收斂示意圖

通過研究分析得，裂縫在隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞時包括有產(chǎn)生以及發(fā)展兩種狀態(tài)，因此本文將襯砌裂縫狀態(tài)評價的指標設(shè)定為：隧道裂縫的深度c，寬度w，數(shù)量n 以及位置p，如圖3 所示。

圖3 隧道襯砌裂縫的狀態(tài)示意圖

總結(jié)上述分析可得出隧道的安全性評價指標共有6 項基礎(chǔ)指標?？蓪⑵浞譃椋耗繕藢樱愔笜藢?，基礎(chǔ)指標層三個層次，其中作為層次分析的最終目標的是目標層，并且該層還作為地鐵運營隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

4.2 評價指標權(quán)重

通過對各個影響因素進行權(quán)數(shù)分析，進而得出各個影響因素的重要程度。通過閱讀文獻等方法，本文采用標度法對指標權(quán)重進行分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 各級評價指標權(quán)重

4.3 安全度

本文采用安全度的形式描述地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性。對于不同工程而言，可根據(jù)各自的基礎(chǔ)指標參數(shù)和不同的權(quán)重計算方法進行安全度的計算。本文根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論的方法以及文中采用的類指標，對安全度進行定義。在安全性評價地鐵結(jié)構(gòu)運營期間的核心是避免發(fā)生安全事故，即確保隧道的收斂變形以及裂縫在可控制的范圍以內(nèi)，對于該種情況可采取安全度的方式進行描述。

4.4 隧道結(jié)構(gòu)相對收斂δ 分級標準

通過將隧道豎向以及水平的收斂除去隧道垂直方向的內(nèi)凈空H 以及水平方向的內(nèi)凈空S，即可得將正交試驗的結(jié)果進行統(tǒng)一化處理，結(jié)果如表3 所示。

表3 隧道收斂在不同工況下的收斂變化統(tǒng)一化處理結(jié)果

為了確保能與安全性評價的等級可以相對應(yīng)，按照3 類方式對δ 的等級進行分級。將分級標準定為隧道結(jié)構(gòu)襯砌變形的上下限，并通過取整處理的方式處理各個指標，以便于實際的操作，所得結(jié)果如表4 所示。

表4 δ 類基礎(chǔ)指標的分類標準

4.5 結(jié)構(gòu)裂縫狀態(tài)C 分級標準

通過對各個工況狀態(tài)下的襯砌裂縫調(diào)查結(jié)果進行分析，并為使其調(diào)查結(jié)果更加直觀，將裂縫的深度以及厚度C/h 進行比較以及剪裂縫的寬度和深度w/c 進行比較即可得到c 和w 的統(tǒng)一化處理，處理結(jié)果如表5 所示。

表5 隧道結(jié)構(gòu)裂縫在不同工況下的指標統(tǒng)一化處理結(jié)果

采用同上述一致的方法，使其與安全性分級對應(yīng)，可得出C 的3 類等級分類。如表6 所示。

表6 C 類基礎(chǔ)指標分類標準

綜上所示，通過數(shù)值計算得到了各個定量基礎(chǔ)指標分類的標準，并且通過對定性指標裂縫位置進行模擬試驗的方法，得出結(jié)果：裂縫出現(xiàn)的頻率最高位置為拱腳，并且是最有可能貫徹整個隧道結(jié)構(gòu)的裂縫，因此將其定為最危險的等級C 級；而仰拱位置的裂縫則次之，定為B 級；拱腰位置則屬于出現(xiàn)裂縫頻率最低的位置，定為A 級?；A(chǔ)指標安全性評價標準，如表7 所示。

表7 地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價標準

5.結(jié)語

本文從隧道的相對收斂入手，對隧道襯砌破壞的影響因素進行分析，得出影響隧道結(jié)構(gòu)襯砌的豎向收斂的主要因素是隧道結(jié)構(gòu)的斷面形式，對于水平收斂的主要影響因素是圍巖的側(cè)壓力。對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性評價，通過建立三級指標體系的方法對地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌在遭到破壞時的收斂變形以及裂縫參數(shù)等進行評價。