京承鐵路21號隧道病害檢測與安全評估

劉蘭利

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

京承鐵路21號隧道為1936年修建的舊京承鐵路的一部分，至今已使用了70多年。隧道位于上板城—承德站區間，距承德站約4 km，全長188 m，承德方向位于半徑為400 m的曲線上，洞內坡度為2.5‰，北京方向位于直線上，洞內坡度為5.7‰。隧道斷面為馬蹄形，襯砌變截面，厚度從拱頂0.40 m增大至墻腳0.73 m。隧道工程位置出露地層為元古界震旦系下統(Z1)的白云巖，灰色，隱晶質結構，薄～中層狀構造，進口段0～+50 m和出口段+168～+188 m為Ⅳ級圍巖，洞身段+50～+168為Ⅲ級圍巖。由于隧道設計及建造時期的標準與現行標準相差較大，加之多年的使用和解放戰爭時期遭受火災，襯砌發生多處裂縫、滲漏水甚至破碎掉塊等病害。

2 隧道病害檢測

由于隧道已運營很久，現隧道襯砌出現開裂、錯臺、破損、滲漏水和冬季掛冰等病害。為保證隧道現階段的安全性，首先對既有隧道襯砌病害的現狀、地形地質情況等進行全面調查，然后進行全面的檢測，并根據檢測成果對隧道的安全性進行評估。

2.1 檢測內容及方法

1)采用觀測和尺量法查明襯砌裂縫位置、長度、寬度，表面破損位置、面積、深度，滲漏水情況。

2)采用超聲波法探查襯砌裂縫的深度。

3)采用地質雷達方法探查隧道襯砌厚度，鋼筋鋼架分布，襯砌背后不密實及空洞的位置、規模。

4)采用超聲回彈綜合法檢測隧道襯砌混凝土強度。

2.2 檢測結果

1)隧道襯砌裂縫檢測

隧道全長范圍內主要有環向裂縫75條、縱向裂縫14條及斜向裂縫4條。從數量上看絕大部分為環向裂縫，縱向和斜向裂縫均較少。環向裂縫長度＞13 m的有12條，且裂縫寬度較大(1～20 mm)，多為自左墻腳經拱頂至右墻腳的貫穿型裂縫，這些裂縫降低了隧道縱向剛度。其它環向裂縫大多長度不大(一般裂縫長度為3～7 m)，裂縫寬度也較小。由于隧道為地下線狀結構物，根據經驗可知，這些小的環向裂縫對結構的穩定性影響不大。

在18條縱、斜向裂縫中，較長的縱向裂縫有4條。最長的縱向裂縫長度為22 m，位于進洞口附近的左邊墻上。其它縱、斜向裂縫長度一般為2～7 m，寬度基本上在0.5～2.0 mm，大多分布于墻腳以上2.5 m左右的邊墻上，但在襯砌拱腰和拱腳處也各有1條縱向裂縫。由于縱向裂縫會降低隧道橫截面的承載能力，因此對于縱向裂縫應該引起足夠的重視。

采用超聲波法對隧道襯砌主要裂縫的深度進行測量，共測量裂縫20條，裂縫深度一般13～30 cm，屬中等偏大裂縫。

2)隧道破損和滲漏水

隧道拱部局部段發生襯砌掉塊，面積不大。隧道滲漏水主要集中在隧道進出口段和隧道內+80～+130范圍內，冬季有掛冰現象。滲漏水主要受大氣降水和地下水的影響。隧道的局部破損和滲漏水大多集中在裂縫處。

3)地質雷達檢測

本次地質雷達檢測隧道共布置測線5條，拱頂1條、拱腰2條、邊墻2條。拱頂和拱腰檢測是利用軌道車作為工作平臺。經檢測隧道襯砌局部存在厚度不足情況，但襯砌厚度一般均＞35 cm。在隧道襯砌中未發現鋼筋，但在進洞口5～80 m的兩側邊墻處有加固邊墻用的鋼軌拱架，間距1.0 m左右。隧道襯砌邊墻及拱頂背后均有多處圍巖不密實或存在空洞、圍巖中積水等病害。

4)襯砌混凝土強度檢測

由于既有隧道運輸繁忙，天窗點較少，所以超聲回彈法測區布置在隧道的左右邊墻上。在隧道左右邊墻上每5～10 m布設一個測區，整個隧道共布置了55個測區。根據超聲回彈綜合法測試的回彈值和波速值進行數據處理、修正及計算，得到測區測定強度值為16～28 MPa，平均實測強度推算值為24.8 MPa，計算時隧道襯砌混凝土按C20考慮。

2.3 需重點分析的隧道病害

隧道多處存在裂縫，裂縫走向以環向縫居多，邊墻及拱腰有部分縱向裂縫。進口段襯砌拱腳處有長短不一的錯臺、局部有破損掉塊現象。襯砌右邊墻、左拱腰以及拱頂均發現有空洞積水區。此外裂縫較寬的環向裂縫處有滲漏水的現象。根據調查和檢測結果，下列兩種病害將對隧道結構產生重大影響，須進行重點分析:

1)襯砌背后存在空洞時對隧道結構安全性的影響。

2)隧道襯砌存在縱向裂縫時對隧道結構安全性的影響。

3 隧道狀態安全性檢算

由于隧道病害類型、位置、規模不同，對隧道安全性的影響也不相同，因此需研究襯砌在深埋荷載作用下的受力狀態，根據病害(開裂、背后空洞)之后襯砌的受力狀態來評價現階段隧道的安全性。隧道由圍巖和結構共同組成，圍巖既是荷載的來源，又與結構共同構成承載體系。結構的功能主要是加固和支撐圍巖、維護和發揮圍巖自身的承載和穩定能力。根據設計規范應用有限元法并采用荷載—結構計算模式對隧道安全性進行檢算。

3.1 隧道計算荷載確定

根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)，深埋圍巖壓力按松散壓力考慮(側壓力系數取0.15)，其荷載模式及節點編號如圖1、圖2所示。

圖2 節點編號

3.2 不考慮襯砌病害情況

在圖1的荷載作用下，不考慮隧道破損時，其襯砌內力分布如圖3所示。

圖3 不考慮破損時襯砌內力

分別計算隧道二次襯砌各個位置的內力及安全系數，計算結果表明:在不考慮隧道襯砌病害情況下，其受力最不利位置為拱頂(15～17號節點)。拱頂處的軸力值為－198 kN(受壓)，彎矩值為57.2 kN·m，安全系數只有2.1，受拉控制，安全系數小于規范要求值。襯砌最大軸力和彎矩均在左右墻腳處，分別為592 kN和104.4 kN·m，但是由于墻腳處襯砌厚0.73 m(較厚)，墻腳處安全系數仍然較高。

由此可見隧道襯砌軸力值較小而彎矩值較大，襯砌最不利位置在隧道拱頂。

3.3 襯砌背后有空洞的情況

根據地質雷達檢測結果，既有隧道邊墻、拱腰和拱頂二襯背后均存在空洞，分別對這3種空洞分布進行了分析(由于荷載的對稱性，只計算右側背后有空洞的情況)。由于空洞使得襯砌變形后不會受到圍巖的約束反力，因此對結構受力是不利的。分別對邊墻背后空洞(環向長度2.0 m)、拱腰背后空洞(環向長度1.5 m)和拱頂背后空洞(環向長度1.5 m)3種類型進行分析，結果見表1。

表1 隧道襯砌背后空洞引起的安全系數變化

從表1可知，當襯砌背后與圍巖之間存在空洞時，空洞處襯砌結構的內力增大，安全系數減小。比較空洞存在于隧道襯砌邊墻、拱腰及拱頂3種情況，邊墻背后存在空洞時結構的受力最為不利，拱腰次之，在側壓較小的情況下范圍較小的拱頂空洞對襯砌整體受力影響不顯著。

總的來說，隧道邊墻背后存在空洞時，襯砌拱頂和有空洞的側邊墻安全系數均小于規范要求值，其它情況時拱頂的安全系數也小于規范要求值。

3.4 襯砌有縱向開裂的情況

根據裂縫檢測結果，縱向裂縫病害主要分布在邊墻和拱腳處，當襯砌開裂后，在荷載作用下開裂的部分不能承受彎矩，其截面有效抗彎剛度會降低。分別選取左邊墻裂縫(+103 m斷面附近，位于左邊墻以上1.5 m處裂縫深25.91 cm)和右拱腳裂縫(+184 m斷面附近，裂縫深24.11 cm)2種裂縫分布情況對隧道安全性進行檢算，縱向裂縫引起的完全系數變化見表2。

由表2可知，在左邊墻(影響范圍為5～7號節點)或右拱腳(影響范圍為21～24號節點)襯砌開裂時，會導致病害處的襯砌安全系數降低。與襯砌完好時相比，左邊墻的安全系數減小67%，右拱腳的安全系數減小49%。但是由于側壓力相對較小，襯砌開裂處截面剪應力不大，最小安全系數仍可達6.8，剪應力也滿足規范要求。

隧道襯砌開裂主要發生在邊墻及拱腳處，通過安全性檢算可知，邊墻及拱腳處襯砌開裂后，裂縫附近區域內襯砌安全性均有一定程度的降低，但由于邊墻及拱腳處襯砌原有安全系數較高，因此開裂后該部位的安全系數仍能滿足規范要求。

表2 隧道縱向裂縫引起的安全系數變化

4 結論

1)通過對京承鐵路21號隧道不考慮襯砌病害和考慮襯砌背后有空洞、襯砌有縱向開裂等病害時的安全性檢算可知，在深埋圍巖荷載作用下，襯砌拱頂安全系數不滿足規范要求，但是由于最小安全系數＞2，因此目前尚可維持運營。

2)當襯砌背后與圍巖之間存在空洞時，受空洞影響的區域，襯砌結構安全性均有不同程度的降低。相比較而言，襯砌邊墻背后存在空洞對結構的影響最為不利。計算結果表明，當邊墻背后有＞2 m的空洞時，可導致邊墻處襯砌受拉，安全系數減小至3.0，受拉控制，不滿足規范要求。

3)隧道襯砌開裂將導致裂縫附近襯砌安全系數降低，但本隧道襯砌開裂主要發生在邊墻及拱腳處，這些部位原有安全儲備較高，因此開裂后邊墻及拱腳處襯砌安全性仍能滿足規范要求。

4)由于既有隧道已運營多年且病害嚴重，經穩定性檢算其安全系數不滿足規范要求，只是尚可維持運營，且存在安全隱患，為保證既有隧道的運營安全，建議對既有隧道襯砌背后不密實、空洞和不小于2 mm環向裂縫及不小于1 mm的縱向裂縫等隧道病害進行注漿加固。

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