隧道二次襯砌安全評價及缺陷預防探討

黃雄軍

(中國鐵路總公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京 100844)

隨著我國基礎設施大規(guī)模投資和施工技術(shù)的不斷創(chuàng)新，已建成的公路隧道及鐵路隧道也越來越多。由于工程、水文地質(zhì)的客觀影響以及設計、施工過程中人為因素的影響，造成很多隧道在建成后即出現(xiàn)不同的病害，如隧道滲漏水、隧道壁后空洞、裂縫、翻漿冒泥等局部缺陷。這些缺陷對隧道的安全運營造成很大的隱患。為了消除或降低這些病害對隧道運營造成的危害，可根據(jù)公路或鐵路隧道的維修養(yǎng)護規(guī)程進行相應的整治。基于此，本文針對一隧道二次襯砌局部地段檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼筋間距不滿足設計要求這一工況，對隧道二次襯砌進行安全評價及對缺陷整治進行探討，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

一鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)按照新奧法原理進行設計，各級圍巖均采用復合式襯砌，在地質(zhì)條件較差段輔以不同形式的超前支護。隧道全長3 469 m。其中一段二次襯砌完工后，應用地質(zhì)雷達對二次襯砌進行了質(zhì)量檢測，結(jié)果表明局部里程段二次襯砌鋼筋(主筋)平均間距不滿足設計及規(guī)范要求，結(jié)果見表1。

結(jié)合設計施工圖及表1可知:偏大里程段二次襯砌鋼筋均處于Ⅳ級圍巖深埋地段，襯砌類型為一般Ⅳ級復合式襯砌，二次襯砌設計厚度為45 cm，配筋為5φ18，鋼筋間距為20 cm；但從檢測結(jié)果看，檢測部位的二次襯砌鋼筋間距為30～35cm，不滿足設計要求。為檢驗二次襯砌在使用過程中的安全性，進行了安全評價。

表1 隧道二次襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果

2 安全評價標準

依據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設計規(guī)范》計算圍巖壓力，并對二次襯砌結(jié)構(gòu)的抗壓強度、滿足抗裂要求的抗拉強度進行檢算。當素混凝土截面強度不滿足規(guī)范要求時，再對鋼筋混凝土截面強度進行檢算。根據(jù)TB 10003—2005規(guī)定，混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)見表2，表3。

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)

由表2、表3可知:在二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)檢算時，采用主要荷載組合，如襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達到抗壓極限強度(即混凝土抗壓強度控制)時，安全系數(shù)應≥2.4；如襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達到抗拉極限強度(即混凝土抗裂強度控制)時，安全系數(shù)應≥3.6；如襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋達到抗拉極限強度(即鋼筋抗拉強度控制)時，安全系數(shù)應≥2.0。

表3 混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)

3 隧道缺陷段的檢算

3.1 計算方法和工況選擇

3.1.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)行TB 10003—2005的圍巖級別劃分，考慮隧道埋深，按荷載-結(jié)構(gòu)模式進行結(jié)構(gòu)計算，按破損階段法進行強度校核，通過工程類比確定襯砌支護參數(shù)。計算復合式襯砌時，初期支護按主要承載結(jié)構(gòu)考慮，二次襯砌在Ⅱ，Ⅲ級圍巖中可作為安全儲備，在Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ級圍巖中可為承載結(jié)構(gòu)。

采用有限元軟件ANSYS對隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)進行安全評估，用梁單元來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，梁單元寬度為單位寬度，即1 m，梁高按實際二次襯砌厚度計算；用彈簧單元(只受壓)來模擬初期支護對模筑襯砌的抗力。對彈簧單元外部施加固定約束，對梁單元施加載荷，計算得到二次襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后檢算其安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求。隧道計算模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

3.1.2 材料參數(shù)

根據(jù)TB 10003—2005，計算中Ⅳ級圍巖及二次襯砌采用的物理力學參數(shù)見表4；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度45 cm，仰拱厚度55 cm。

3.1.3 荷載計算

依據(jù)圍巖壓力計算方法，結(jié)合該隧道 DK52+960—DK52+990，DK53+225—DK53+235，DK53+250—DK53+260檢測發(fā)現(xiàn)局部鋼筋間距不滿足設計要求這一情況，根據(jù)實際埋設和強度檢測結(jié)果，取最不利的一種工況進行安全檢算:即為Ⅳ級圍巖深埋狀態(tài)，最大埋深為56.87 m，側(cè)壓力系數(shù)取0.25，荷載情況見表5。

表4 圍巖及結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

表5 Ⅳ級圍巖荷載情況

3.2 計算結(jié)果及分析

襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果見圖2。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

依據(jù)圖2計算結(jié)果及TB 10003—2005，對二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)進行檢算，結(jié)果見表6。

由表6可知:當襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達到抗壓極限強度(即混凝土抗壓強度控制)時，安全系數(shù)最小為16.25，均大于2.4，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達到抗拉極限強度(即混凝土抗拉強度控制)時，安全系數(shù)最小4.46，均大于3.6，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；A處(拱頂)處于鋼筋抗拉控制，考慮配置鋼筋情況，采用破損階段法按照對稱配筋進行配筋計算，實際配筋面積大于控制截面拱頂計算需要的配筋面積，實際結(jié)構(gòu)配筋滿足TB 10003—2005承載力要求。

TB 10003—2005規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需滿足最小配筋率要求，受彎構(gòu)件、偏心受拉、軸心受拉構(gòu)件一側(cè)的受拉鋼筋的最小配筋率為0.2%或(45fctd/fstd)%(fctd表示混凝土軸心抗拉強度設計值；fstd表示鋼筋抗拉強度設計值)。經(jīng)計算，該檢算斷面拱頂部位構(gòu)件一側(cè)的受拉鋼筋構(gòu)造配筋量大于最小配筋量。

因此，該檢算斷面拱頂部位的實際配筋量滿足承載力要求，但不滿足構(gòu)造配筋要求，需要對不滿足構(gòu)造配筋要求的二次襯砌段進行補強。

表6 二次襯砌控制截面的安全系數(shù)

4 缺陷整治

在出現(xiàn)缺陷后，要制訂有針對性的整治方案，采取有針對性的整治措施，缺陷整治后盡可能滿足設計要求。由于上述二次襯砌個別地段鋼筋間距不滿足設計要求，沒有拆除缺陷段返工重新澆注二次襯砌條件，所以根據(jù)上述計算結(jié)果，對不滿足構(gòu)造配筋地段采取補強措施，常采用鋼拱架加固或網(wǎng)噴加固[1-3]。

4.1 鋼拱架加固方案

在不侵限隧道凈空斷面的情況下，缺筋較多地段，可采用鋼拱架加固。考慮采用Ia型鋼鋼架在現(xiàn)有襯砌內(nèi)部進行加固，鋼架間距一般為1.5 m/榀，鋼架接頭附近每處設置2根φ22鎖腳錨桿，長度3.0 m，以固定鋼架，錨桿端部應與鋼架焊接牢固，鋼架之間設φ22連接筋，環(huán)向間距1.0 m。

型鋼各節(jié)之間采用鋼板與型鋼端部焊接后，再用螺栓連接緊實。型鋼鋼架應沿著隧道環(huán)向，確保鋼架的垂直度，避免鋼架受到列車振動等情況的影響。架立鋼架時應確保鋼架基礎穩(wěn)定可靠。

網(wǎng)噴混凝土補強。鋼架架設完成，并錨固牢固后，拱墻采用掛網(wǎng)(鋼筋φ10，間距20 cm×20 cm)、噴射C25混凝土進行補強(厚10 cm)。

4.2 網(wǎng)噴混凝土加固方案

受隧道凈空影響或缺筋較少地段，可考慮采用網(wǎng)噴混凝土加固。設置50 cm×50 cm的釬釘，采用φ16螺紋鋼，釬釘打設深度2d/3(d為襯砌厚度)，外露長度8 cm。采用雙層鋼筋網(wǎng)，φ6.5鋼筋，第1層緊貼原襯砌面，孔距10 cm×10 cm。第2層位于噴射混凝土外層表面，孔距5 cm×5 cm。襯砌表面按照規(guī)范標準進行鑿毛處理。噴混凝土厚8 cm，分層噴射，每層停40 min，噴混凝土收面用鋼刷清除浮石。原襯砌施工縫處必須斷開。根據(jù)隧道實際工況條件，現(xiàn)場采取網(wǎng)噴混凝土加固方案。

5 缺陷預防

隧道二次襯砌質(zhì)量缺陷主要有二次襯砌局部厚度不足、強度不夠、拱頂存在空洞、局部不密實、鋼筋局部間距偏大、鋼筋保護層厚度不足、掉塊、滲漏水等。上述缺陷產(chǎn)生的原因主要有施工工藝控制不到位、未嚴格按設計圖紙施工、現(xiàn)場監(jiān)控存在不足、第三方檢測不及時或沒有發(fā)現(xiàn)存在的質(zhì)量問題等。為提高隧道施工質(zhì)量，應加強過程質(zhì)量控制，提高隧道機械化施工水平，強化鐵路隧道成套施工技術(shù)的應用，完善開挖爆破、噴射混凝土、防水板掛設及焊接、端墻止水帶安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、帶模回填注漿等的工藝工法，加強源頭管理，做好分級技術(shù)交底工作，嚴格現(xiàn)場作業(yè)管理、工序質(zhì)量控制、監(jiān)理監(jiān)督和第三方檢測管理，嚴格按設計施工，積極采用標準化管理手段，大力鼓勵工藝工裝創(chuàng)新，減少施工過程的不穩(wěn)定因素[4-9]。

6 結(jié)論及建議

1)當襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達到抗壓極限強度(即混凝土抗壓強度控制)時，安全系數(shù)均大于2.4，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達到抗拉極限強度(即混凝土抗裂強度控制)時，安全系數(shù)均大于3.6，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當鋼筋達到受拉極限強度且安全系數(shù)取2.0時，實際配筋面積大于控制截面拱頂計算需要的配筋面積，實際結(jié)構(gòu)配筋滿足TB 10003—2005承載力要求，表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，但不滿足構(gòu)造配筋要求，需要對缺陷進行整治。

2)基于二次襯砌已經(jīng)施工完、且未發(fā)生任何異常，建議在不破壞襯砌結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的前提下進行整治，根據(jù)實際情況可采用鋼拱架加固或網(wǎng)噴加固。

3)要進一步加強隧道施工過程質(zhì)量控制，按圖施工和監(jiān)控，提前采取預防措施，積極推廣標準化管理，避免出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，確保鐵路運營安全。