隧道襯砌掉塊類缺陷結(jié)構(gòu)安全性檢算方法及整治技術(shù)方案

楊建偉

中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，北京 100860

截至2021年底，中國鐵路營業(yè)里程突破15萬km，其中，投入運營的鐵路隧道17 532座，總長21 055 km［1］。由于設(shè)計不足、施工不良等各方面原因使得部分區(qū)段存在拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等施工缺陷，運營期間受到圍巖壓力、列車荷載、地下水侵蝕等作用，極易引發(fā)開裂掉塊等病害［2-3］，嚴(yán)重危及行車安全。

根據(jù)統(tǒng)計，隧道襯砌掉塊類缺陷占全部缺陷的9%，48%的缺陷部位存在裂縫及滲漏水［4］。多數(shù)情況下隧道內(nèi)災(zāi)害按照“缺陷→病害→致災(zāi)”規(guī)律演變。發(fā)現(xiàn)缺陷并及時整治，是減少隧道內(nèi)病害的最有利措施。

當(dāng)前針對襯砌掉塊方面的學(xué)術(shù)研究多傾向于整治技術(shù)［5-8］。關(guān)寶樹等［9］開發(fā)了隧道病害整治專家系統(tǒng)，王春景［10］系統(tǒng)梳理了隧道狀態(tài)的評判方法，但目前對于安全性檢算尚缺少統(tǒng)一的分析計算方法，尤其結(jié)合Q/CR 9129—2018《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（極限狀態(tài)法）等新規(guī)范的荷載計算方法研究還存在不足。

鑒于此，本文依托實際工程案例，重點分析運營期間隧道二次襯砌缺陷結(jié)構(gòu)安全性檢算方法。依據(jù)不同規(guī)范中承載力計算的規(guī)定，給出分別采用極限狀態(tài)法和容許應(yīng)力法進(jìn)行缺陷結(jié)構(gòu)安全性檢算的流程和方法，并對工程案例安全狀態(tài)進(jìn)行具體分析，最后給出一種可通用的整治技術(shù)方案，為隧道缺陷結(jié)構(gòu)的安全性分析和整治提供參考。

1 工程概況

華北地區(qū)一鐵路隧道為單洞雙線隧道，最大埋深50 m，采用復(fù)合式襯砌，各級圍巖均采用曲墻帶仰拱的結(jié)構(gòu)形式，拱部和邊墻采用50 cm 厚的C35 鋼筋混凝土，仰拱采用60 cm 厚的C35 鋼筋混凝土?，F(xiàn)場排查時在上行線一側(cè)拱頂敲擊后出現(xiàn)約0.3 m2掉塊，掉塊處朝大里程方向約有8.0 m2脫空，沿線路方向?qū)?.7 m，從拱頂中心線沿環(huán)向兩側(cè)各2.0 m。設(shè)計斷面襯砌厚度為50 cm，脫空部位最薄襯砌厚度為5 cm，脫空部分呈倒梯形，缺陷處隧道凈埋深6.73 m，如圖1所示。

圖1 拱頂?shù)魤K處及尺寸（單位：cm）

對隧道二次襯砌破損處及其前一幅板二次襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強度進(jìn)行回彈檢測，拱頂混凝土抗壓強度為37.4 MPa，拱腰及拱腳混凝土抗壓強度為36.6 MPa，該段三個部位強度均滿足設(shè)計要求。

依據(jù)鐵運函〔2004〕174 號《鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定》及TG/GW 114—2011《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則（試行稿）》，確定缺陷等級為4級，嚴(yán)重程度為極嚴(yán)重。

2 二次襯砌缺陷結(jié)構(gòu)安全性檢算

2.1 檢算流程

二次襯砌缺陷結(jié)構(gòu)安全性檢算流程見圖2。根據(jù)規(guī)范及既有設(shè)計資料選取隧址區(qū)圍巖級別，確定圍巖參數(shù)，在此基礎(chǔ)上分別按照容許應(yīng)力法與極限狀態(tài)法進(jìn)行荷載計算，根據(jù)荷載計算值進(jìn)行安全性檢算，進(jìn)而進(jìn)行裂縫檢算，最終判定是否滿足安全性要求。

圖2 結(jié)構(gòu)安全性檢算步驟

由于拱頂空洞處二次襯砌厚度不均勻，在按原設(shè)計計算缺陷結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上，逐級按照5 cm 值降低原設(shè)計二次襯砌厚度，重復(fù)上述計算步驟，直至得到滿足規(guī)范要求的最小襯砌厚度。

2.2 結(jié)構(gòu)檢算方法

圍巖級別及圍巖計算參數(shù)主要根據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和Q/CR 9129—2018 選取。這兩個規(guī)范以下分別簡稱舊隧規(guī)、新隧規(guī)。

容許應(yīng)力法荷載計算參照舊隧規(guī)附錄E——淺埋隧道襯砌作用（荷載）計算方法，極限狀態(tài)法荷載計算參照新隧規(guī)5.2 節(jié)的作用分類及作用組合以及附錄E——淺埋隧道圍巖壓力計算方法。

1）極限狀態(tài)法結(jié)構(gòu)安全性檢算方法

①承載能力極限狀態(tài)

按照鋼筋混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件正截面受壓承載方式計算襯砌軸向力，計算方法參照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第6.2 節(jié)內(nèi)容。

②正常使用極限狀態(tài)

襯砌作為鋼筋混凝土受彎、受拉及偏心受壓構(gòu)件，依據(jù)GB 50010—2010 第7.1 節(jié)方法，按照荷載標(biāo)準(zhǔn)組合或準(zhǔn)永久組合并考慮荷載長期作用的影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算。

2）容許應(yīng)力法結(jié)構(gòu)安全性檢算方法

不論襯砌受力屬于鋼筋混凝土矩形截面的大偏心受壓還是小偏心受壓，均可根據(jù)舊隧規(guī)第11.2節(jié)相關(guān)公式進(jìn)行檢算。

3）襯砌結(jié)構(gòu)裂縫檢算方法

鋼筋混凝土襯砌受拉、受彎和偏心受壓時最大裂縫寬度均可根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》相關(guān)公式進(jìn)行檢算。

2.3 檢算結(jié)果

2.3.1 極限狀態(tài)法

通過有限元軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，計算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。襯砌采用二維梁單元模擬，圍巖對襯砌的約束作用采用二維桿單元模擬。假定缺陷范圍混凝土強度為設(shè)計強度，缺陷范圍鋼筋按照設(shè)計排布，二次襯砌與初期支護(hù)完全密貼。首先對原設(shè)計進(jìn)行安全檢算，保持變形控制指標(biāo)不變，按5 cm 級差逐漸減小襯砌厚度試算，直至得到滿足規(guī)范要求的最小襯砌厚度。

原設(shè)計拱部和邊墻采用50 cm 厚的C35 鋼筋混凝土，仰拱采用60 cm 厚的C35 鋼筋混凝土。環(huán)向主筋采用直徑22 mm 的鋼筋，縱向間距20 cm；縱向鋼筋采用直徑14 mm 的鋼筋，環(huán)向間距25 cm；拉筋采用直徑8 mm 的鋼筋，拱墻和仰拱主筋選用直徑22 mm 的鋼筋，鋼筋間距200 mm。首先在有限元軟件中進(jìn)行內(nèi)力計算，分別得出基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合時內(nèi)力。然后按照2.2節(jié)檢算方法計算所有截面最大裂縫寬度。結(jié)果顯示，其均滿足設(shè)計中安全性要求，設(shè)計時按照構(gòu)造要求配主筋即可。

隧道實際檢測的拱頂空洞環(huán)向長度約4 m，模型中對應(yīng)22 ～29號單元。按0.05 m級差減少22 ～29號單元的襯砌厚度，其余單元襯砌厚度保持不變。按照2.2 節(jié)檢算方法，得到襯砌厚度為45 ～20 cm 時拱頂22 ～ 29 號單元裂縫寬度均滿足GB 50010—2010 中安全性要求，設(shè)計時按照構(gòu)造要求配主筋即可。當(dāng)隧道拱頂襯砌厚度為 15 cm 時，24 ～28 號單元襯砌厚度不足（表1），需要增加襯砌厚度。其余位置鋼筋混凝土按照設(shè)計厚度計算，滿足規(guī)范要求的拱頂最小襯砌厚度為20 cm。因為構(gòu)造配筋條件下安全性滿足時已經(jīng)考慮了裂縫安全性要求，因此最大裂縫寬度均不需要檢算。

表1 拱墻襯砌厚度15 cm時加強襯砌試設(shè)計配筋

2.3.2 容許應(yīng)力法

在有限元軟件中進(jìn)行內(nèi)力計算。結(jié)果顯示：隧道拱腰和拱腳處彎矩較大，拱頂處彎矩最大，軸力最小，為隧道結(jié)構(gòu)最薄弱位置。按照2.2 節(jié)方法計算，原設(shè)計所有截面最大裂縫寬度均滿足GB 50010—2010 中的安全性要求，設(shè)計時按照構(gòu)造要求配主筋即可。

針對隧道拱頂實際空洞情況，采用與2.3.1 節(jié)相同的分析方法，按0.05 m 級差減少22 ～29 號單元的襯砌厚度。計算得出襯砌厚度為45 ～30 cm 時，全斷面所有單元裂縫寬度均滿足GB 50010—2010 中的安全性要求，設(shè)計時按照構(gòu)造要求配主筋即可。其余單元襯砌厚度保持不變，計算得出拱頂襯砌厚度為25 cm 時，25、26、27 號單元實際配筋面積大于計算配筋面積，滿足承載能力要求（表2）。即在拱頂存在4 m長環(huán)向空洞，其余位置混凝土按設(shè)計厚度計算時，滿足規(guī)范要求的拱頂最小襯砌厚度為25 cm。

表2 襯砌厚度為25 cm時襯砌試設(shè)計配筋

3 整治方案

結(jié)合檢測結(jié)果，對掉塊空洞處二次襯砌厚度小于20 cm 以及不密實的襯砌混凝土進(jìn)行整治。整治關(guān)鍵工序如下：

1）搭設(shè)腳手架平臺。腳手架作業(yè)地段前后2 m 范圍內(nèi)鋪設(shè)土工布，確保軌道不被污染。

2）混凝土分塊鑿除。拱部混凝土采用混凝土切割機進(jìn)行切割，電鎬進(jìn)行鑿除，單個混凝土塊的塊徑控制在40 cm 以下，采用高壓水槍對表面進(jìn)行清理。在空洞部位放置防水布，并留排水通道，水循環(huán)利用。在環(huán)向施工縫部位，所有接觸網(wǎng)或設(shè)備上方，先包覆橡膠管，外側(cè)再包覆土工布，避免水污染。施工完畢將襯砌內(nèi)部和外表面的明水吸干。天窗結(jié)束前，檢查未鑿除部分，不得有松動塊或者散落塊，以免掉塊影響列車行駛。

3）注漿管安裝。安裝注漿管（圖3），兼作排氣管。注漿管采用膨脹馬牙扣注漿管，深入空洞部分與鋼筋焊接。1#注漿管開口部分距離襯砌外表面（圍巖側(cè)）20 ～25 cm，2#注漿管開口部分距離襯砌外表面35 ～40 cm，3#和4#注漿管距防水板2 cm 左右。注漿管采用膨脹方法錨固在襯砌上。注漿管長度不低于20 cm。

圖3 注漿管安裝示意（單位：mm）

4）模板安裝。模板采用竹膠板，采用植筋進(jìn)行固定，縫隙采用雙面膠進(jìn)行封閉，搭接位置采用吊絲固定。掉塊空腔位置采用通絲將模板與鋼筋焊接并與穩(wěn)定襯砌固定，通絲間距為30 cm（環(huán)向）×40 cm（縱向）。安裝模板時，嚴(yán)格控制外露吊筋長度，避免侵限。

5）注漿加固。注漿前在新舊混凝土結(jié)合面用高壓水槍沖洗濕潤，并噴涂界面劑。聚合物砂漿利用攪拌泵送一體機進(jìn)行澆筑施工，嚴(yán)格按照配合比拌制砂漿。先清理管孔，由下向上注漿，確保管道暢通。注漿過程中要時刻觀察注漿壓力和流量的變化，首次灌漿壓力控制在0.2 MPa 以內(nèi)，用壓力控制注漿量。當(dāng)拱頂注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓并穩(wěn)定10 min 以上或觀察到溢漿管溢漿，方可結(jié)束該孔注漿。注漿結(jié)束后將注漿管及溢漿管切除，打磨平整，表面涂刷環(huán)氧樹脂作防銹蝕處理。

6）整治效果檢驗。隧道襯砌掉塊類缺陷結(jié)構(gòu)整治完成后，對襯砌厚度、強度、密實度采用地質(zhì)雷達(dá)、回彈儀進(jìn)行檢測，組織相關(guān)部門進(jìn)行驗收，確保整治效果滿足設(shè)計要求。如發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時反映，視情況采取針對性措施再次進(jìn)行處理。

7）施工監(jiān)測。隧道襯砌掉塊類缺陷結(jié)構(gòu)整治過程中，對缺陷段及其兩側(cè)各40 m 變形進(jìn)行監(jiān)控量測。注漿期間對缺陷部位進(jìn)行監(jiān)測，徑向變形大于2 mm時須停止注漿，查找原因。若由環(huán)境擾動或設(shè)備原因引起，可繼續(xù)注漿，直至注滿為止。

4 結(jié)論

1）提出了隧道襯砌掉塊類缺陷結(jié)構(gòu)安全性檢算流程，結(jié)合舊新兩版隧道設(shè)計規(guī)范，給出了缺陷結(jié)構(gòu)安全性檢算流程和方法。

2）極限狀態(tài)法、容許應(yīng)力法計算所得的襯砌結(jié)構(gòu)最小厚度分別為20、25 cm，說明容許應(yīng)力法計算結(jié)果更保守。安全性檢算時應(yīng)綜合考慮和對比兩者的計算結(jié)果。

3）給出了一種注漿加固填補襯砌掉塊空洞的通用技術(shù)方案，可為類似缺陷的整治處理提供參考。