基于承載安全的隧道襯砌滲漏水分級評價方法研究*

姚成睿，李 科，江星宏，吳尚東，肖仕來

1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074

2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067

隨著我國綜合國力的提升，我國的隧道事業(yè)取得了跨越式的發(fā)展，截至2020年年底，我國既有隧道的數(shù)量超過了35000座，里程超過了3700萬m。數(shù)量龐大的隧道在助力我國經(jīng)濟騰飛的同時，也帶來了巨大的運營養(yǎng)護壓力。我國早期隧道的施工大多未采取防水措施，導致這些隧道在運營期存在普遍的滲漏水病害。我國有關部門于1997年的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果顯示：在全國運營鐵路隧道中存在滲漏水病害的隧道占70%[1]。史娥[2]、謝榆[3]、鈄逢光等[4]、鄒育麟等[5]學者相繼對全國不同地區(qū)、不同數(shù)量的運營隧道開展了病害調(diào)研工作，調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)：樣本中近84%的隧道存在不同程度的滲漏水病害。董飛等[6]、吳玉哲等[7]的調(diào)研分析則表明：滲漏水現(xiàn)象不僅直接影響隧道的運營安全，還會導致襯砌其他病害的產(chǎn)生。襯砌滲漏水病害普遍存在，危害嚴重，成為隧道工程人員亟須攻克的難題。目前，針對運營隧道襯砌滲漏水分級評價的問題，楊啟航[8]、陳鵬[9]、王華牢等[10]、趙博劍等[11]主要基于模糊綜合評價法、分層綜合評價法及神經(jīng)網(wǎng)絡等方法展開研究；所構建的襯砌滲漏水分級評價體系往往存在指標量化困難、標準與結(jié)構承載安全未關聯(lián)及方法實際應用復雜等缺點，故有必要對滲漏水病害條件下隧道襯砌結(jié)構的承載安全量化指標進行研究，構建一種與襯砌結(jié)構承載安全相關聯(lián)的分級評價標準。

基于此，文章在調(diào)研大量國內(nèi)外規(guī)范標準和學者研究論文的基礎上，對規(guī)范與研究成果中的運營隧道襯砌滲漏水病害的分級評價標準進行了分析及總結(jié)，指出了其存在的不足，并通過數(shù)值計算的方法對外水壓作用下的襯砌承載力學特性進行了分析，確定了運營隧道襯砌滲漏水的量化評價指標，進一步提出了基于承載安全的襯砌滲漏水分級評價標準和病害應對措施。

1 既有隧道滲漏水分級評價方法分析

1.1 既有評價方法調(diào)研

文章通過文獻調(diào)研，將國內(nèi)外規(guī)范標準體系與學者研究成果中關于運營隧道襯砌滲漏水的評價方法匯總?cè)绫?所示。從表1中可以看出：（1）既有運營隧道襯砌滲漏水評價指標以襯砌表觀滲水狀態(tài)為主，而滲漏水狀態(tài)難以定量評價；（2）我國的《公路隧道養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTG H12—2015）、《鐵路工務技術手冊——隧道》，以及李鑫[12]和張建偉[13]所提出的分級方法在滲漏水狀態(tài)的基礎上將滲漏水部位與對行車的影響納入了指標體系，相比于其他規(guī)范標準，在對襯砌滲漏水的定性評價方面顯得更加全面；（3）既有方法所包含的可量化分級指標僅有pH值，而pH值只體現(xiàn)了滲漏水病害的腐蝕作用，不能綜合反映滲漏水病害對襯砌結(jié)構承載安全的影響[14-16]；（4）規(guī)范與既有研究對襯砌滲漏水狀態(tài)的分級多基于病害的表觀現(xiàn)象，在實際應用中，評價結(jié)果易受到評價人員主觀判斷的影響，因此缺乏可靠性；（5）薛亞東等[17]提出將滲漏水的面積和高寬比作為滲漏水狀態(tài)的量化標準，然而漏水的面積和高寬比在實際隧道檢測難以量測，故實用性不佳；（6）國內(nèi)外學者的所提出的滲漏水病害評價方法多基于模糊數(shù)學法、分層綜合法及神經(jīng)網(wǎng)絡法等方法，這些方法原理復雜，難以供隧道運營養(yǎng)護人員使用。

表1 運營隧道襯砌滲漏水的評價方法匯總表

1.2 既有規(guī)范與研究成果的不足

文章調(diào)研了國內(nèi)外規(guī)范標準中的襯砌滲漏水病害評價指標與標準，以及國內(nèi)學者在運營隧道襯砌滲漏水病害分級評價系統(tǒng)方面的研究成果，發(fā)現(xiàn)既有的規(guī)范標準和研究成果存在以下不足。

（1）國內(nèi)外規(guī)范標準對于隧道襯砌滲漏水的分級評價多基于病害表觀現(xiàn)象，沒有具有說服力的可量化指標。

（2）現(xiàn)行規(guī)范標準中的襯砌滲漏水分級評價標準沒有將襯砌結(jié)構的受力變形狀態(tài)納入考量，缺乏與結(jié)構承載安全的關聯(lián)。

（3）國內(nèi)外學者所提出的隧道襯砌滲漏水的分級評價方法多基于模糊綜合法、分層評價法及神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，這些方法大多原理復雜，難以供隧道運營養(yǎng)護人員使用。

2 外水壓作用下的襯砌承載力學特性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計算說明

文章擬采用數(shù)值計算的方法研究運營隧道襯砌結(jié)構在外水壓作用下的承載力學特性，計算分析的內(nèi)容包括Ⅳ、Ⅴ圍巖條件下3種不同厚度的隧道襯砌在0～20m逐米增加的外水頭作用下的結(jié)構安全系數(shù)和結(jié)構位移分布特性。計算所使用的荷載結(jié)構模型如圖1所示，相關參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值計算相關參數(shù)

圖1 荷載結(jié)構模型示意圖

2.2 計算結(jié)果分析

（1）結(jié)構安全系數(shù)分析。在不同圍巖級別、不同厚度條件下，襯砌結(jié)構安全系數(shù)隨靜水壓力的變化情況如圖2所示。從圖2中可以看出：①隧道襯砌結(jié)構的安全系數(shù)隨外水頭高度增加而減??；②同等圍巖級別情況下，襯砌厚度越大，襯砌結(jié)構各部位的安全系數(shù)與襯砌整體安全系數(shù)就越大，相同襯砌厚度情況下，圍巖條件越好，襯砌結(jié)構各部位及襯砌整體的安全系數(shù)就越大。

圖2 襯砌結(jié)構安全系數(shù)隨水頭高度變化情況

（2）結(jié)構位移分析。不同圍巖條件下，不同厚度的襯砌結(jié)構的豎向相對沉降與水平相對收斂隨靜水壓變化情況如圖3所示。從圖3中可以看出：①不同工況下，隧道襯砌結(jié)構的豎向相對沉降與水平相對收斂隨外水頭高度的增加而增加的規(guī)律，但從增量絕對值大小上看，靜水壓力對襯砌豎向相對沉降的影響遠大于水平相對收斂，因此可將豎向相對沉降值視為結(jié)構位移增量；②不同工況下，襯砌的豎向相對沉降雖然都隨外水頭高度的增加而增加，但從曲線斜率上看，沉降明顯分為兩個階段，一是在Ⅳ級圍巖條件下，襯砌豎向相對沉降在0～11m的外水頭高度范圍內(nèi)增加較緩慢，在12m水頭高度以后增加較迅速，二是在Ⅴ級圍巖條件下，襯砌豎向相對沉降在0～14m的外水頭高度范圍內(nèi)增加較緩慢，在14m以上的水頭高度增加較迅速；③同等圍巖條件下，襯砌厚度越小，其最終沉降量和沉降增量絕對值都越大；④同等厚度的襯砌結(jié)構，圍巖條件越差，其豎向相對沉降的值越大，但是沉降的增量絕對值越小。

圖3 結(jié)構位移隨水頭高度變化情況

3 評價方法研究

對照圖2，可得到不同圍巖條件、不同襯砌厚度下，隧道襯砌結(jié)構在不同安全系數(shù)時所對應的外水頭高度。以安全系數(shù)1.5、2.4和3.3為隧道襯砌結(jié)構的承載安全狀態(tài)評價指標，可得到隧道襯砌承載安全狀態(tài)評價標準如表3所示。從表3中可以看出：（1）對于安全系數(shù)1.5控制標準，外水頭高度超30.0m；（2）對于安全系數(shù)2.4控制標準，外水頭高度為15.0m；（3）對于安全系數(shù)3.3控制標準，外水頭高度為5m。

表3 隧道襯砌承載安全狀態(tài)評價標準 單位：mm

表3實質(zhì)上反映了隧道襯砌在不同承載安全狀態(tài)下所對應的滲漏水病害特性，而圖3則是對不同滲漏水病害特性下襯砌結(jié)構位移增量的描述，因此結(jié)合表3與圖3可以得到隧道襯砌在不同承載安全狀態(tài)下的結(jié)構位移增量，如表4所示。從表4中可以看出：（1）對于安全系數(shù)1.5控制標準，結(jié)構位移增量約為16.0mm；（2）對于安全系數(shù)2.4控制標準，結(jié)構位移增量約為6.0mm；（3）對于安全系數(shù)3.3控制標準，結(jié)構位移增量約為4.0mm。

表4 不同承載安全狀態(tài)下的結(jié)構位移增量 單位：mm

結(jié)合表3、表4，以結(jié)構整體安全系數(shù)與結(jié)構位移增量為分級評價指標，可構建基于承載安全的隧道襯砌滲漏水分級評價標準，如表5所示。該標準在理論上與襯砌結(jié)構的承載安全狀態(tài)相關聯(lián)，在實際應用中其評價指標也易于獲得。

表5 基于承載安全的襯砌滲漏水分級評價標準

4 結(jié)論

文章圍繞運營隧道襯砌滲漏水病害分級評價方法的問題，調(diào)研了國內(nèi)外規(guī)范標準中的襯砌滲漏水病害評價指標和標準，通過數(shù)值計算，分析了不同圍巖級別下，不同厚度的隧道襯砌在外水壓力作用下的承載力學特性，得到了如下主要結(jié)論。

（1）在外水壓力的作用下，當外水頭高度達到30.0m時，結(jié)構安全系數(shù)為1.5，對應的結(jié)構豎向相對沉降量為16.0mm；當外水頭高度達到15.0m時，結(jié)構安全系數(shù)為2.4，對應的結(jié)構豎向相對沉降量為6.0mm；當外水頭高度達到5.0m時，結(jié)構安全系數(shù)為3.3，對應的結(jié)構豎向相對沉降量為4.0mm。

（2）基于承載安全的運營隧道襯砌滲漏水分級評價指標包括結(jié)構安全系數(shù)與結(jié)構位移增量，分級評價標準的幾個安全系數(shù)限界值為1.5、2.4、3.3，對應的結(jié)構豎向相對沉降限界值為16.0mm、6.0mm、4.0mm。