基于承載安全的隧道襯砌滲漏水分級評價方法研究*

姚成睿，李 科，江星宏，吳尚東，肖仕來

1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074

2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067

隨著我國綜合國力的提升，我國的隧道事業取得了跨越式的發展，截至2020年年底，我國既有隧道的數量超過了35000座，里程超過了3700萬m。數量龐大的隧道在助力我國經濟騰飛的同時，也帶來了巨大的運營養護壓力。我國早期隧道的施工大多未采取防水措施，導致這些隧道在運營期存在普遍的滲漏水病害。我國有關部門于1997年的調查統計結果顯示：在全國運營鐵路隧道中存在滲漏水病害的隧道占70%[1]。史娥[2]、謝榆[3]、鈄逢光等[4]、鄒育麟等[5]學者相繼對全國不同地區、不同數量的運營隧道開展了病害調研工作，調研結果發現：樣本中近84%的隧道存在不同程度的滲漏水病害。董飛等[6]、吳玉哲等[7]的調研分析則表明：滲漏水現象不僅直接影響隧道的運營安全，還會導致襯砌其他病害的產生。襯砌滲漏水病害普遍存在，危害嚴重，成為隧道工程人員亟須攻克的難題。目前，針對運營隧道襯砌滲漏水分級評價的問題，楊啟航[8]、陳鵬[9]、王華牢等[10]、趙博劍等[11]主要基于模糊綜合評價法、分層綜合評價法及神經網絡等方法展開研究；所構建的襯砌滲漏水分級評價體系往往存在指標量化困難、標準與結構承載安全未關聯及方法實際應用復雜等缺點，故有必要對滲漏水病害條件下隧道襯砌結構的承載安全量化指標進行研究，構建一種與襯砌結構承載安全相關聯的分級評價標準。

基于此，文章在調研大量國內外規范標準和學者研究論文的基礎上，對規范與研究成果中的運營隧道襯砌滲漏水病害的分級評價標準進行了分析及總結，指出了其存在的不足，并通過數值計算的方法對外水壓作用下的襯砌承載力學特性進行了分析，確定了運營隧道襯砌滲漏水的量化評價指標，進一步提出了基于承載安全的襯砌滲漏水分級評價標準和病害應對措施。

1 既有隧道滲漏水分級評價方法分析

1.1 既有評價方法調研

文章通過文獻調研，將國內外規范標準體系與學者研究成果中關于運營隧道襯砌滲漏水的評價方法匯總如表1所示。從表1中可以看出：（1）既有運營隧道襯砌滲漏水評價指標以襯砌表觀滲水狀態為主，而滲漏水狀態難以定量評價；（2）我國的《公路隧道養護技術規范》（JTG H12—2015）、《鐵路工務技術手冊——隧道》，以及李鑫[12]和張建偉[13]所提出的分級方法在滲漏水狀態的基礎上將滲漏水部位與對行車的影響納入了指標體系，相比于其他規范標準，在對襯砌滲漏水的定性評價方面顯得更加全面；（3）既有方法所包含的可量化分級指標僅有pH值，而pH值只體現了滲漏水病害的腐蝕作用，不能綜合反映滲漏水病害對襯砌結構承載安全的影響[14-16]；（4）規范與既有研究對襯砌滲漏水狀態的分級多基于病害的表觀現象，在實際應用中，評價結果易受到評價人員主觀判斷的影響，因此缺乏可靠性；（5）薛亞東等[17]提出將滲漏水的面積和高寬比作為滲漏水狀態的量化標準，然而漏水的面積和高寬比在實際隧道檢測難以量測，故實用性不佳；（6）國內外學者的所提出的滲漏水病害評價方法多基于模糊數學法、分層綜合法及神經網絡法等方法，這些方法原理復雜，難以供隧道運營養護人員使用。

表1 運營隧道襯砌滲漏水的評價方法匯總表

1.2 既有規范與研究成果的不足

文章調研了國內外規范標準中的襯砌滲漏水病害評價指標與標準，以及國內學者在運營隧道襯砌滲漏水病害分級評價系統方面的研究成果，發現既有的規范標準和研究成果存在以下不足。

（1）國內外規范標準對于隧道襯砌滲漏水的分級評價多基于病害表觀現象，沒有具有說服力的可量化指標。

（2）現行規范標準中的襯砌滲漏水分級評價標準沒有將襯砌結構的受力變形狀態納入考量，缺乏與結構承載安全的關聯。

（3）國內外學者所提出的隧道襯砌滲漏水的分級評價方法多基于模糊綜合法、分層評價法及神經網絡等方法，這些方法大多原理復雜，難以供隧道運營養護人員使用。

2 外水壓作用下的襯砌承載力學特性數值分析

2.1 數值計算說明

文章擬采用數值計算的方法研究運營隧道襯砌結構在外水壓作用下的承載力學特性，計算分析的內容包括Ⅳ、Ⅴ圍巖條件下3種不同厚度的隧道襯砌在0～20m逐米增加的外水頭作用下的結構安全系數和結構位移分布特性。計算所使用的荷載結構模型如圖1所示，相關參數如表2所示。

表2 數值計算相關參數

圖1 荷載結構模型示意圖

2.2 計算結果分析

（1）結構安全系數分析。在不同圍巖級別、不同厚度條件下，襯砌結構安全系數隨靜水壓力的變化情況如圖2所示。從圖2中可以看出：①隧道襯砌結構的安全系數隨外水頭高度增加而減小；②同等圍巖級別情況下，襯砌厚度越大，襯砌結構各部位的安全系數與襯砌整體安全系數就越大，相同襯砌厚度情況下，圍巖條件越好，襯砌結構各部位及襯砌整體的安全系數就越大。

圖2 襯砌結構安全系數隨水頭高度變化情況

（2）結構位移分析。不同圍巖條件下，不同厚度的襯砌結構的豎向相對沉降與水平相對收斂隨靜水壓變化情況如圖3所示。從圖3中可以看出：①不同工況下，隧道襯砌結構的豎向相對沉降與水平相對收斂隨外水頭高度的增加而增加的規律，但從增量絕對值大小上看，靜水壓力對襯砌豎向相對沉降的影響遠大于水平相對收斂，因此可將豎向相對沉降值視為結構位移增量；②不同工況下，襯砌的豎向相對沉降雖然都隨外水頭高度的增加而增加，但從曲線斜率上看，沉降明顯分為兩個階段，一是在Ⅳ級圍巖條件下，襯砌豎向相對沉降在0～11m的外水頭高度范圍內增加較緩慢，在12m水頭高度以后增加較迅速，二是在Ⅴ級圍巖條件下，襯砌豎向相對沉降在0～14m的外水頭高度范圍內增加較緩慢，在14m以上的水頭高度增加較迅速；③同等圍巖條件下，襯砌厚度越小，其最終沉降量和沉降增量絕對值都越大；④同等厚度的襯砌結構，圍巖條件越差，其豎向相對沉降的值越大，但是沉降的增量絕對值越小。

圖3 結構位移隨水頭高度變化情況

3 評價方法研究

對照圖2，可得到不同圍巖條件、不同襯砌厚度下，隧道襯砌結構在不同安全系數時所對應的外水頭高度。以安全系數1.5、2.4和3.3為隧道襯砌結構的承載安全狀態評價指標，可得到隧道襯砌承載安全狀態評價標準如表3所示。從表3中可以看出：（1）對于安全系數1.5控制標準，外水頭高度超30.0m；（2）對于安全系數2.4控制標準，外水頭高度為15.0m；（3）對于安全系數3.3控制標準，外水頭高度為5m。

表3 隧道襯砌承載安全狀態評價標準 單位：mm

表3實質上反映了隧道襯砌在不同承載安全狀態下所對應的滲漏水病害特性，而圖3則是對不同滲漏水病害特性下襯砌結構位移增量的描述，因此結合表3與圖3可以得到隧道襯砌在不同承載安全狀態下的結構位移增量，如表4所示。從表4中可以看出：（1）對于安全系數1.5控制標準，結構位移增量約為16.0mm；（2）對于安全系數2.4控制標準，結構位移增量約為6.0mm；（3）對于安全系數3.3控制標準，結構位移增量約為4.0mm。

表4 不同承載安全狀態下的結構位移增量 單位：mm

結合表3、表4，以結構整體安全系數與結構位移增量為分級評價指標，可構建基于承載安全的隧道襯砌滲漏水分級評價標準，如表5所示。該標準在理論上與襯砌結構的承載安全狀態相關聯，在實際應用中其評價指標也易于獲得。

表5 基于承載安全的襯砌滲漏水分級評價標準

4 結論

文章圍繞運營隧道襯砌滲漏水病害分級評價方法的問題，調研了國內外規范標準中的襯砌滲漏水病害評價指標和標準，通過數值計算，分析了不同圍巖級別下，不同厚度的隧道襯砌在外水壓力作用下的承載力學特性，得到了如下主要結論。

（1）在外水壓力的作用下，當外水頭高度達到30.0m時，結構安全系數為1.5，對應的結構豎向相對沉降量為16.0mm；當外水頭高度達到15.0m時，結構安全系數為2.4，對應的結構豎向相對沉降量為6.0mm；當外水頭高度達到5.0m時，結構安全系數為3.3，對應的結構豎向相對沉降量為4.0mm。

（2）基于承載安全的運營隧道襯砌滲漏水分級評價指標包括結構安全系數與結構位移增量，分級評價標準的幾個安全系數限界值為1.5、2.4、3.3，對應的結構豎向相對沉降限界值為16.0mm、6.0mm、4.0mm。