基于故障樹的鐵路隧道襯砌脫空原因分析及應對措施

王進生

(中國鐵路總公司工程質量監督管理局成都監督站,四川成都 610081)

在鐵路隧道工程建設中,受圍巖條件復雜、施工控制不嚴和混凝土材料收縮徐變等因素的影響,部分隧道襯砌脫空缺陷嚴重[1]。 已有許多學者對襯砌脫空的影響進行了相關研究,楊小玉等對鐵路隧道襯砌混凝土背后脫空產生的原因進行了綜合分析并提出相應的預防及處治措施[26];蔣暉光等基于FLAC 軟件建立分析模型,探究在不同脫空位置、不同脫空程度情況下襯砌安全性的影響規律,并結合工程實際制定了整治方案[7]。 但是對于導致隧道二次襯砌脫空眾多因素之間結構關系的研究仍有不足。 以成貴客專工程某隧道為例,建立隧道襯砌脫空故障樹,以展現導致襯砌脫空各因素之間的結構關系以及結構重要度。

1 工程概況及脫空檢測

成貴客專工程某隧道出口端分別穿越灰巖、頁巖、泥巖夾灰巖等地層,圍巖等級為Ⅴ～Ⅲ級,相應的襯砌類型有Ⅴc 型、Ⅳb 型、Ⅳa 型、Ⅲb 型。 除Ⅴ級圍巖段采用C35 鋼筋混凝土外,其余均采用C30 混凝土;Ⅴ級圍巖段采用全環格柵鋼架,Ⅳb 型襯砌段初支采用拱墻格柵鋼架。 在完成所有襯砌施工5 個月后,采用地質雷達對隧道出口段的二次襯砌進行無損檢測,共計發現缺陷54 處。 其中,二襯背后脫空40 處,二襯背后不密實4 處,初支背后不密實3 處,二襯厚度不足7 處。

隧道襯砌完工7 個月后,對該段襯砌再次進行檢測,發現襯砌有裂紋產生。 裂紋產生原因為:①該隧道與渝黔鐵路的另一隧道并行,兩隧道凈間距小,且軌面存在一定高差,導致中間夾巖產生應力集中;②隧道內二次襯砌脫空,使得襯砌受力不均勻,增大了其受拉破壞的可能性;③施工過程中受到多次擾動;④巖體產狀、層理、地形等多因素的組合,導致隧道襯砌側向壓力過大,并作用在曲率較小的邊墻部位,使邊墻部位產生縱向張性裂縫(紋)。

由此可見,二次襯砌脫空是導致隧道在長期運營過程中產生多種形式病害的原因之一,為解決隧道襯砌脫空問題,以下對隧道襯砌脫空原因進行故障樹分析。

2 研究方法

2.1 故障樹分析法

故障樹分析法是將系統可能發生的風險事故或失效狀態作為故障樹的頂事件,將事故原因逐層分解(直到不能繼續分解),找出事故發生的基本原因。 利用專門表達邏輯關系的門符號、事件符號以及基本術語等,來表述系統各層事件之間的邏輯關系和因果關系,畫出故障樹圖。 根據故障樹圖求解事故發生的最小割集,即對事故進行定性分析,找出事故發生的基本事件和因素。 結合最小割集,可以對系統事故進行定量分析,得出頂事件發生的概率[8]。

故障樹分析包括以下幾個主要步驟:建立故障樹、故障樹的定性分析和定量分析。

2.2 最小割集

求解系統事故發生的最小割集是故障樹分析的核心,故障樹的定性分析和定量分析都是以系統事故發生的最小割集為基礎。 所謂最小割集,就是可以導致各頂事件發生的最小基本事件集合,最小割集包含的基本事件對導致頂事件的發生是充分必要的[9]。 求解最小割集的主要方法有下行法、上行法、質數代入法、矩陣法和布爾代數化簡法。

2.3 結構重要度

故障樹中的每一個基本事件對頂事件都會有一定的影響,但影響的程度不同。 為了解其影響程度,應按照對頂事件影響大小,按從大到小的順序消除基本事件。 在工程實際中,各基本事件發生的概率很難確定,可在假設各基本事件發生概率相同的前提下,計算基本事件的結構重要度,計算公式[10]為

式中:Iφ(i)為基本事件Xi的結構重要度;k 為故障樹系統所含的最小割集的數量;為含有基本事件Xi的第j 個最小割集中所含基本事件的數量。

通過式(1),可得出各基本事件的相對結構重要度,利用計算所得的結構重要度進行排序,排序結果顯示各基本事件對頂事件影響程度的相對大小。

3 隧道襯砌脫空故障樹建立

3.1 故障樹建立

對成貴客專工程某隧道以及其他工程實例中隧道脫空的原因進行統計分析,并結合隧道襯砌結構,可將鐵路隧道襯砌脫空的成因分為三類:開挖及初期支護問題、防水板鋪設問題和二次襯砌混凝土工程問題[11]。

(1)開挖及初期支護問題

①爆破效果差;②超挖、欠挖情況比較突出;③噴漿支護過程存在噴漿不到位或是有意遮擋留下空洞,且未采取相應措施補救。

(2)防水板鋪設問題

①初期支護的表面不平順,導致防水板與初支表面貼合不緊密,形成空洞;②防水板固定點數量不足,混凝土澆筑過程中防水板脫落,引起上部防水板緊繃、下部防水板堆積,從而形成空洞;③防水板鋪設松弛度不足,局部緊繃,造成在防水板與初支面之間形成空腔;④防水板鋪設松弛度過大,形成褶皺,造成襯砌背后脫空[1213]。

(3)二次襯砌混凝土問題

①移動模板臺車底部支撐不牢靠,走行軌連接螺栓數量不足及軌道變形,引起臺車在澆筑時移位;②對臺車本身的變形檢查頻率不足,未及時校正;③臺車擋頭板封堵不嚴造成漏漿等;④混凝土施工前,未根據斷面測量結果預估實際施工所需的方量,拱部混凝土灌注量不足致使拱部局部形成脫空;⑤在襯砌拱頂混凝土澆筑過程中,未按要求做到逐孔、多孔澆筑,單孔“一灌到底”,部分混凝土附著在鋼筋上,使混凝土流動性變差,極易造成拱頂出現空洞;⑥襯砌施工振搗不密實;⑦襯砌拱部未設置排氣孔或預留排氣孔堵塞失效,導致混凝土無法充填飽滿,尤其在反坡施工時,澆筑段與上循環之間會形成空氣囊而造成襯砌背后空洞;⑧施工現場混凝土養護不到位,致使襯砌與圍巖或防水板間出現空隙,形成脫空[1415]。

針對導致隧道襯砌脫空的原因,以鐵路隧道襯砌脫空為頂事件,開挖及初期支護問題、防水板鋪設問題和二次襯砌混凝土工程問題為三個中間事件,得到16 個基本事件,構造的故障樹見圖1。 X1～X16表示故障樹中的16 個基本事件,其具體含義見表1。

圖1 鐵路隧道襯砌脫空的故障樹

表1 鐵路隧道襯砌脫空的基本事件及含義

3.2 最小割集劃分

針對故障樹模型,選用布爾代數法計算鐵路隧道襯砌脫空的最小割集。 按照布爾代數法,鐵路隧道襯砌脫空的頂事件的表達式為

式中:A1為開挖初支問題;A2為防水板問題;A3為混凝土工程問題。

將式(3)、式(4)、式(5)代入式(2)中,得

則鐵路隧道襯砌脫空的最小割集分別為

3.3 結構重要度計算

根據式(1)以及上述最小割集劃分情況,可計算出故障樹中各基本事件的結構重要度,見表2。

由表2 可知,基本事件X16(即施工管理不嚴)對頂事件鐵路隧道襯砌脫空的影響程度最大,X4～X15其次,X1～X3對頂事件影響程度最小。

表2 各基本事件的結構重要度

4 應對措施及建議

通過故障樹分析可知,影響鐵路隧道襯砌脫空的主要因素是施工管理不嚴,其次是模板作業、混凝土作業以及養護作業過程中的混凝土工程問題。 因此,為了減少襯砌脫空事故的發生,除了要加強混凝土施工過程控制外,更需要重視施工管理,及時消除危險因素。 根據襯砌脫空故障樹結構重要度分析結果,提出以下防治措施與建議。

4.1 加強施工管理

加強對現場管理人員的教育培訓工作,提高其質量意識和責任心。 通過開展培訓,使每一位管理人員牢固掌握隧道開挖、初期支護、防水板安裝以及混凝土施工過程中的各項工藝要求和關鍵環節監控要點,提高管理人員的技術水平。

加強施工技術交底工作。 現場技術管理人員要對施工班組進行詳細交底,確保各項工藝要求傳達到每一位作業人員手中。

加強施工準備工作,對原材料儲備、混凝土的供應、人員設備到位等各環節進行認真檢查核實,確保混凝土澆筑施工的連續性。

加強施工過程中的組織管理。 施工管理人員和監理旁站人員必須嚴格盯控隧道施工,及時糾正和處理施工作業中的不規范行為。

加強無損檢測。 在襯砌施工200 m 后即安排雷達檢測,檢測時以拱頂、仰拱為重點,可根據現場情況適當增加測線,以便及時發現問題并采取措施。

加強施工質量驗收檢查工作,嚴格遵循上道工序驗收不合格不得進行下道工序施工的原則。

4.2 加強混凝土工程質量控制

采用數控襯砌臺車施工,并做好日常設備保養工作。 依據襯砌施工作業要求施作模板臺車,嚴格檢查模板加固支撐體系,并采取相應措施防止臺車走位。同時,在模板臺車端面上貼反光輪廓標,警示運輸車輛,避免撞擊造成臺車移位。

精確計算混凝土澆筑數量,配備足夠的混凝土運輸車輛,防止因混凝土供應不及時或等待澆筑時間過長而影響混凝土性能。

嚴格按照襯砌施工作業要求進行混凝土澆筑,嚴控澆筑順序。 進行拱頂施工時,澆筑孔應從低到高依次逐孔作業,避免拱頂位置低的窗口被混凝土蓋滿而影響拱頂施工質量。 嚴格控制拱頂混凝土的澆筑時間,確保在規定時間內完成施工作業。 同時安排經驗豐富、責任心強的人員觀察襯砌堵頭處和觀察孔的流漿情況,確保拱部混凝土填充飽滿。

采用縱向預留管道和徑向注漿管道法杜絕注漿脫空。 當進行襯砌防水板施工時,在襯砌拱頂中央位置安裝注漿管與排氣管(φ30PVC,長度為襯砌長度+200 mm)。 注漿管上布設溢漿孔,孔徑為6 ～8 mm,間距為15 ～20 cm,梅花形布置,外露段與注漿機連接。排氣管按照排氣要求安設于注漿管側面。

采用φ28 鋼管臺車將防水板直接頂到初支表面,并用法蘭盤絲扣固定。 拆除襯砌臺車前,且孔口封堵材料達到一定強度后,對襯砌拱頂按先縱向再徑向的順序進行注漿,注漿壓力控制在0.5 ～1.0 MPa 之間。注漿材料采用微膨脹水泥砂漿或水泥漿,機械拌制,稠度控制在14 ～18 s 之間。 注漿壓力達到0.5 ～1.0 MPa 或排氣管出漿時即可終止注漿。

嚴格執行混凝土振搗工藝標準,及時開啟振搗設備,確保混凝土振搗到位。 可在拱頂加設徑向插入式振搗器加強振搗,并根據施工情況,分區控制附著式振搗器工作。

4.3 加強防水系統質量控制

防水板鋪設應松緊適度,并嚴格按設計要求布置固定點間距。 防水板搭接長度、焊縫及固定點焊接均需嚴格按防水板施工作業要求進行施工。

初期支護施工時應設置噴射混凝土厚度控制標識,嚴格控制噴射混凝土厚度和表面平整度。 可采用方鏟等小型工具修整初支輪廓,使初期支護混凝土表面平整、平順,消除“排肋狀”現象,保證初支施工質量符合設計和驗標要求。

4.4 加強隧道開挖與初期支護質量控制

使用三臂鑿巖臺車開挖鉆孔,依靠計算機系統進行準確定位,以保證開挖輪廓平順光滑。

采用控制爆破施工時,應嚴格按照鉆爆設計并根據實際圍巖情況,做好鉆爆方案及現場工藝優化,保證開挖斷面施工質量符合設計和驗標要求。

及時調整爆破參數,減少超挖、欠挖現象。 可以結合現場實際情況進行試驗,反復提煉參數值。

提高噴漿工藝水平,對超挖部位采取網噴混凝土先行支護,待消除空洞后再按順序進行初支噴射混凝土施工。

5 結束語

以成貴客專工程某隧道為例,利用故障樹分析法建立施工期鐵路隧道襯砌結構的故障樹風險分析模型,以此對造成鐵路隧道襯砌脫空的原因進行定性分析。 研究表明,隧道開挖及初期支護問題、防水板鋪設問題和二次襯砌混凝土工程問題是造成隧道襯砌脫空的三類主要問題。 在定性分析的基礎上,通過最小割集的劃分以及結構重要度的計算,得出造成隧道襯砌脫空的關鍵致災基本事件為施工管理不嚴,而爆破效果差、未及時調整參數、噴漿不到位對襯砌脫空的影響程度最小。