砌石鐵路隧道典型病害下安全性研究

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砌石鐵路隧道典型病害下安全性研究

王薇1，鄧俊1，姚勇2，尹俊濤1

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

2.成都鐵路局，四川 成都 610081)

摘要:基于川黔線砌石隧道的現場檢測結果，針對砌石襯砌隧道空洞和砂漿脫落2種典型病害，利用ANSYS有限元分析軟件，分別建立對應不同病害的有限元模型，展開對不同寬度、深度空洞以及不同深度砂漿脫落下襯砌結構安全性分析。通過對典型危險截面的結構安全系數驗算以及灰縫截面的抗拉抗剪驗算，找出不同規模病害下襯砌結構安全性的變化規律。研究發現寬度尺寸為2.0 m的空洞對襯砌結構影響較1.5 m空洞大得多，同時為保障砌石隧道結構安全，建議將砂漿脫落深度控制在5 cm以內。

關鍵詞：砌石隧道；空洞；砂漿脫落；安全性研究

目前我國新建山嶺隧道都采用混凝土材料的襯砌結構，但砌石襯砌數量在陳舊鐵路隧道中仍然占著一定的比重，這些運營砌石襯砌作為鐵路運營的一部分，其安全性往往是人們最為關注的。由于服役年限較久等原因，目前砌石隧道已經出現了不同程度病害，而這些病害嚴重影響到了砌石隧道的結構安全性。因此，研究不同規模典型病害對砌石隧道襯砌結構的安全性影響，這對陳舊鐵路隧道的病害整治和安全運營具有十分重要的意義。不少學者對病害下隧道結構的安全性進行了研究。王春景等[1]基于結構-荷載法隧道計算理論，建立了隧道襯砌背后空洞病害結構有限元計算模型研究空洞存在對隧道結構的安全性影響，研究結果表明空洞存在可以改變隧道整體剛度和受力狀態，降低整體承載能力。李彬等[2]針對常見的隧道混凝土材料劣化、襯砌厚度不足及背后脫空3類病害,基于荷載-結構平面分析模型,通過設置不同病害程度等級,分析運營公路隧道病害對襯砌結構的安全性影響規律。靳學峰[3]研究在隧道拱頂、拱腰位置處呈三角形、矩形及梯形等形狀的空洞對隧道整體結構的影響，并得出了不同方向空洞尺寸對結構安全性系數影響程度由大到小依次為：徑向、高度、寬度方向的結論。陳俊濤[4]研究隧道橫斷面上呈臺梯形、矩形及三角形等不同形狀的空洞，針對每一種空洞形狀分別建立空洞在不同臨空高度、不同寬度寬度、不同隧道縱軸線方向長度的仿真模型，分析得到了在不同工況下，隧道圍巖體的位移應力變化規律及空洞下方初期支護的拉壓應力變化規律。彭躍等[5]對隧道襯砌背后空洞這種病害采用有限元法進行數值模擬分析，重點研究了不同部位的空洞以及不同規模的空洞對隧道襯砌結構安全系數的影響。晏啟祥等[6]根據砌石隧道病害檢測結果, 開展了不同空洞組合、不同圍巖特性、特定位置不同外水壓力、不同襯砌厚度等條件下襯砌的內力有限元分析，最后對病害下的結構安全性進行了評估。王立川等[7]采用數值分析法,建立地層-結構模型計算分析了脫空對襯砌結構安全性的影響。Huvaz等[8]對隧道襯砌背后空洞的注漿加固進行了研究分析，研究了襯砌背后空洞在注漿前、注漿后對隧道襯砌結構的安全性影響。Meguid等[9]通過數值分析方法,對比分析了不同尺寸大小空洞下拱腰處及仰供處空洞對襯砌安全性影響。SHI[10]簡化了襯砌和圍巖的復雜作用關系,通過彈性有限元分析了襯砌裂縫對隧道結構的安全性影響。劉永華[11]采用ANSYS數值模擬分析軟件,對隧道拱頂處存在空洞或裂縫時二次襯砌結構的受力狀態進行模擬分析，通過模擬分析得知,拱頂處的這兩種病害形式將顯著改變結構的受力狀態,增大二次襯砌結構受拉破壞的可能性,不利于襯砌結構繼續承擔荷載。許文鋒[12]以某隧道為例, 利用ANSYS有限元軟件,采用荷載-結構模型,對襯砌開裂的安全性進行分析,并提出相應的治理措施。劉學增等[13]通過實驗與理論計算分析了裂縫位置和裂縫深度對襯砌結構安全性的影響，研究表明隧道拱頂安全系數隨裂縫深度增加呈線性降低，裂縫深度為襯砌厚度的 50%時，安全系數則降低 78%；相同裂縫深度情況下，裂縫在拱頂時最不利，裂縫在拱腰、邊墻以及拱腳時對結構安全系數影響較小。張義紅[14]運用有限元數值分析法，分析了隧道不同位置存在同樣深度的裂縫以及在隧道拱頂位置存在不同深裂縫對隧道襯砌結構安全性的影響。目前對病害下隧道結構的安全性進行的大多數都是針對混凝土隧道，以砌石隧道為對象的病害下安全性研究相對較少。

本文以新場隧道為工程依托，根據現場檢測結果確定出的砌石隧道典型病害，借助ANSYS有限元模擬軟件，分析不同規模尺寸典型病害下襯砌結構的安全性，并提出相應的砌石隧道病害整治建議。

1工程概況

新場隧道建于1965年，為川黔線上單線隧道，隧道全長1 037.2 m，中心里程K188+594，目前已服役運營48 a；新場隧道具有這一時期修建隧道的典型特征，除進出口采用混凝土襯砌外，其他區段均采用砌石襯砌。

通過對新場隧道調研和檢測，采用地質雷達檢測[15]及直尺量測, 發現隧道襯砌背后脫空嚴重，襯砌與圍巖局部脫空或大范圍脫空, 且空洞存在著不同寬度、不同深度尺寸，這些空洞的存在必然大大降低了砌石襯砌的整體性，對隧道結構安全性影響巨大。新場隧道的砌石腐蝕和砂漿脫落現象也非常嚴重，且砌石邊緣部位腐蝕與砂漿脫落相互促進，隧道病害段灰縫的平均寬度為4 cm，有的達到15 cm的寬度；灰縫的深度平均為5 cm，嚴重部位深度達到17 cm。襯砌背后空洞和砂漿脫落必然會對降低隧道結構的安全性，甚至影響到鐵路隧道的安全運營。本文以新場隧道為對象，針對襯砌背后空洞以及砂漿脫落兩種典型病害對隧道結構安全性影響進行詳細的模擬與分析。

2計算模型及參數

根據隧道設計資料及試驗結果，Ⅳ級圍巖占據該隧道總長度的80% ，故選取Ⅳ級圍巖為代表并在考慮條石襯砌砌縫效應的基礎上進行有限元計算，擬定的數值分析參數如表1所示。為考慮隧道出現病害后襯砌結構與圍巖之間作用的變化，采用地層應力模型模擬襯砌和圍巖的相互作用。計算模型寬度為46.1 m，高度為68.15 m，隧道縱向取10 m計算長度，襯砌厚度為0.5 m，模型網格劃分后生成54 640個單元，59 031個節點，上邊界取地表為自由邊界，下邊界為固定，左右邊界水平位移(X軸方向位移)為0，前后邊界z軸方向位移為0。有限元計算模型及檢算截面如圖1和2所示。

表1　圍巖與結構力學參數

圖1　有限元計算模型Fig.1 Model of finite element calculation

圖2　檢算截面分布圖Fig.2 Distribution diagram of checking section

3空洞下砌石隧道安全性分析

3.1分析工況

為充分分析不同規模襯砌背后空洞對襯砌結構的安全性影響[16]，結合現場檢測結果，共選取3種不同空洞深度，深度分別為0.5，1.0和1.5 m， 5種空洞寬度，長度分別為0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m。并選取拱頂和拱腰兩個不同部位進行有限元分析。共包含31種工況，如表2和表3所示。

表2　拱頂背后空洞計算工況

表3　拱腰背后空洞計算工況

3.2襯砌結構安全性分析

根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003)[17]規定：條形石襯砌截面按破壞階段進行強度檢算, 即根據材料的極限強度, 計算出偏心受壓構件的極限承載力, 然后與結構實際內力進行比較, 即可得截面的抗壓( 抗拉) 強度安全系數K。最后檢查所得的安全系數是否滿足《鐵路隧道設計規范》 所要求的數值。

基于各工況軸力彎矩的計算結果，計算出上述 31種工況各截面安全系數，為研究不同空洞規模對襯砌結構安全性的影響，分別分析襯砌結構各截面安全系數和砌石灰縫界面安全性隨著空洞部位、空洞寬度以及空洞深度尺寸變化規律。

3.2.1不同規模空洞尺寸下，襯砌危險截面安全系數分析

拱頂不同規模空洞尺寸下，拱部截面安全系數變化規律和拱腰不同規模空洞尺寸下，空洞側拱腰截面安全系數變化規律分別如圖3和4所示。

圖3　不同空洞寬度下拱頂安全系數變化曲線Fig.3 Varying curve of safety coefficient of the vault under different width of cavity

圖4　不同空洞寬度下拱腰安全系數變化曲線Fig.4 Varying curve of safety coefficient of the arch waist under different width of cavity

對以上的數值模擬計算結果分析可知：

1)空洞對空洞所在區域襯砌截面的安全性危害最大，對其它部位影響相對較小。隨著拱頂空洞寬度的增加，拱部的安全系數下降非常明顯，其它部位安全系數變化不大。尤其是當拱頂空洞的寬度由1.5 m變為2.0 m時，拱頂的安全系數下降最為明顯，可見空洞寬度2.0 m對襯砌結構安全性的影響要比1.5 m時大的多，更值得關注。

2)由圖3和4可以很明顯的發現，當空洞深度一定，隨著空洞寬度的增加，拱部安全系數降低顯著；當空度寬度一定時，隨著空洞深度的增加，拱部安全系數降低緩慢。由此可以發現，相對空洞深度來說空洞寬度對拱頂安全系數的影響要大得多。

3.2.2砌石灰縫界面力學分析

利用各個計算工況斷面所得的彎矩、 軸力及剪力, 選取不利截面, 計算條石之間水泥砂漿界面的拉剪應力。條石灰縫截面為50 cm×50 cm, 其受力分析模型如圖5所示。

(1)

(2)

圖5　模型驗算示意圖Fig.5 Schematic diagram of model checking

式中: W 為彎曲截面系數，N受拉為正，受壓為負。通過計算最終得到結果如圖6~9所示。

圖6　拱頂不同空洞寬度下拱部最大拉應力變化曲線Fig.6 Model of finite element calculation

圖7　拱頂不同空洞寬度下拱部最大剪應力變化曲線Fig.7 Varying curve of maximum shear stress under different width of cavity of the arch

圖8　拱腰不同空洞寬度下拱部最大拉應力變化曲線Fig.8 Varying curve of maximum tensile stress under different width of cavity of the arch waist

圖9　拱腰不同空洞寬度下拱部最大剪應力變化曲線Fig.9 Varying curve of maximum shear stress under different width of cavity of the arch waist

由圖6～圖9可以發現：

1)拱部最大拉應力和最大剪應力代數值都隨著空洞寬度增加出現很明顯的增大，隨著空洞深度尺寸的增加則變化不明顯。

2)襯砌內側邊緣應力由無空洞下的2.98 MPa壓應力逐漸向拉應力轉變，空洞寬度1.5～2.0 m大致處于邊緣應力的臨界空洞寬度。且邊緣應力增長幅度有逐漸增大的趨勢；空洞寬度超過2.0 m時，其邊緣拉應力處于正值狀態，已超過灰縫界面破壞時的抗拉強度標準值為0.18 MPa，可知空洞寬度大于2.0 m的情況下，砂漿進一步脫落的可能性必然增大。

3)最大剪應力由無空洞下的0.11 MPa逐漸增大為1.03-1.57 MPa，其隨著空洞寬度的增加逐漸變大，且增長幅度有逐漸減小的趨勢。同一寬度空洞下，深度尺寸越大，最大剪應力也越大。

4砂漿脫落下砌石隧道安全性分析

4.1分析工況

根據對砌石隧道結構的工程調研和檢測結果發現，砌石襯砌往往是拱圈大面積的出現砂漿脫落情況，病害寬度幾乎占據了整個拱圈，且病害區域基本成對稱分布。這里共選取6種工況，砂漿脫落深度為0，5，10，15，20和25 cm。如表4所示。

表4　砂漿脫落影響的計算工況

4.2襯砌結構安全性分析

基于各工況應力計算結果，計算研究各檢算截面安全系數及砌石灰縫界面安全性。

4.2.1關鍵截面安全系數分析

對6種典型工況的計算結果進行匯總，各截面安全系數計算結果如表5所示。

表5　各截面安全系數計算結果

不同砂漿脫落尺寸下，拱部和拱腰截面安全系數變化如圖10所示。

圖10　不同程度砂漿脫落下拱部安全系數變化曲線Fig.10 Varying curve of safety coefficient of the arch under mortar fell of different level

根據圖10的數值模擬計算結果可知：

1)砂漿脫落對拱圈3～5號截面安全系數影響相對最大；不同工況下拱頂截面安全系數變化量為14.95，拱腰截面安全系數變化量為9.51。當砂漿脫落深度為0～15 cm時，拱頂拱腰各截面安全系數變化顯著，拱頂安全系數由15.46變為2.46，拱腰由9.81變為2.44，且隨著深度增加，拱頂安全系數降低幅度有增大趨勢；可見拱頂、拱腰截面在砂漿脫落深度為15 cm時，均表現為危險截面。而拱腳、邊墻截面安全系數變化則不太明顯；

2)當砂漿脫落深度由15 cm增至25 cm時，拱頂拱腰截面安全系數下降逐漸變得緩慢，拱頂安全系數由2.46變為0.51，拱腰則由2.44變為0.30；而拱腳卻截面安全系數下降相對變得明顯，其安全系數由7.57變為3.99。因此，對于砌石襯砌，阻止其砂漿的進一步脫落能有效控制砌石隧道的結構安全性。

4.2.2砌石灰縫界面力學分析

由上面數值分析結果可知，砂漿脫落的惡化會大大降低結構的安全性，因此，需要衡量砂漿脫落的可能性。在這里提出襯砌內側所受拉應力以及截面剪應力2個指標。利用各個計算工況斷面所得的彎矩、軸力及剪力, 選取拱部不利截面, 計算條石之間水泥砂漿界面的拉剪應力。條石灰縫截面為50 cm×50 cm, 其受力分析模型如圖5所示。

計算各工況下襯砌內側拉應力和截面剪應力結果如圖11和表6所示。

表6不同工況下截面拉剪應力匯總

Table 6 Summary table of section tensile shear stress under different conditions

工況襯砌內側邊緣處應力/MPa拱圈最大剪應力/MPa1-1-2.010.694-1-1.220.694-2-0.510.694-30.130.694-40.700.704-51.150.72

圖11　襯砌內側邊緣處應力變化曲線Fig.11 Varying curve of stress of the inside lining edge

由表6和圖11可以發現：

1)由于圍巖對襯砌的承載，灰縫界面剪應力隨著砂漿脫落深度增大幾乎不變。在未出現砂漿脫落的情況下，拱部內側所受應力為壓應力，但隨著砂漿脫落深度的增加，逐漸變為拉應力；可以很明顯的發現邊緣應力代數值與砂漿脫落深度成正相關，幾乎接近線性關系。

2)當砂漿脫落深度達到15 cm時，受到的拉應力為0.13 MPa，基本接近砌體灰縫界面破壞時的抗拉強度標準值為0.18 MPa；當深度為20 cm和25 cm時，受到拉應力則遠遠超過抗拉強度標準值。可見當砂漿脫落深度大于15 cm時，砂漿脫落進一步發展的可能性大大增大。

5結論

1)針對砌石隧道空洞病害，對不同部位、不同規模空洞進行了有限元建模分析，發現空洞對空洞所在區域襯砌截面的安全性危害最大，對其它部位影響相對較小；空洞寬度對襯砌結構安全性影響較空洞深度尺寸大得多，且寬度為2.0 m的空洞對襯砌結構影響較1.5 m空洞大得多；襯砌空洞的出現會加速灰縫破壞。

2)針對砌石隧道，建立了不同程度砂漿脫落有限元模型，分析了砂漿脫落對砌石襯砌隧道結構安全性影響以及灰縫截面的安全性。發現砂漿脫落大大的降低了襯砌各截面的安全性，且會導致襯砌拱部內側受拉應力，從而導致砂漿的進一步脫落；并提出了控制砂漿脫落深度小于5 cm能有效控制砂漿脫落現象的進一步惡化的結論。

3)對于砌石襯砌隧道，砂漿脫落與空洞兩種典型病害并非獨立存在，空洞的出現往往會提高砂漿脫落的可能性；因此，對于砂漿脫落的治理措施應該考慮到空洞的影響。

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(編輯蔣學東)

Safety research of masonry railway tunnel under typical diseaseWANG Wei1, DENG Jun1,YAO Yong2，YIN Juntao1

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

2.Chengdu Railway Administration, Chengdu 610081, China)

Abstract:Based on detection result of the masonry tunnels of Chuanqian line, two typical diseases, the tunnel lining cavity and masonry mortar fell, are identified. Finite element models corresponding to different diseases have been established in ANSYS to analyze the safety of lining under different cavity widths, depths and degrees of mortar fell. With the calculation for dangerous section and analyzing tensile shear of mortar joint section, the variation for tunnel lining safety of different diseases have been figured out. Finally, it is found that the influence of cavity dimension of 2 m is much higher than that of 1.5 m. in order to make sure a safety status of stone tunnel structures, it is suggested that the depth of mortar fell should be controlled within 5 cm.

Key words:masonry tunnel; cavity; mortar fell; safety research

中圖分類號：U457

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0131-07

通訊作者：王薇(1969-)，女，湖南醴陵人，副教授，博士，從事隧道結構計算與分析及長大隧道災害防治研究； E-mail：wangweicsu@csu.edu.cn

基金項目：湖南省科技計劃資助項目(2010GK3173)；成都鐵路局重點資助項目(X1314)

收稿日期：*2015-05-02