淺析空間裂縫病害下鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性
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作者：張毅
研究不同規(guī)�？v向裂縫病害對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響，這對(duì)陳舊鐵路隧道的病害整治和安全運(yùn)營具有十分重要的意義。
國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)裂縫病害下隧道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了研究。張義紅、張玉軍、李治國、鄭佳艷等人采用有限元軟件主要研究了同一位置裂縫深度、寬度及角度對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及襯砌承載安全系數(shù)的影響。鄭陽焱、陳江研究了裂縫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)承載性能的影響，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載性能及安全性進(jìn)行了評(píng)估。Jun等利用降低等效剛度的方法對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)
裂縫進(jìn)行了數(shù)值分析，并分析了病害位置與病害影響程度的相互關(guān)系。Akke通過損傷力學(xué)理論對(duì)隧道裂縫進(jìn)行了安全性分析，并研究了襯砌裂縫的發(fā)展對(duì)隧道安全性能的影響。Yin Jun等采用剪切裂縫模型分析了隧道襯砌開裂對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。ZihaiSHI簡化了襯砌和圍巖的復(fù)雜作用關(guān)系，通過彈性有限元分析了襯砌裂縫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響。
目前對(duì)裂縫病害下隧道結(jié)構(gòu)的安全性的研究大多數(shù)都是取裂縫單一指標(biāo)或兩個(gè)指標(biāo)，研究裂縫指標(biāo)變化對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響，而沒有很好地考慮裂縫的存在具有空間特性，也沒有一個(gè)合適的安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)模裂縫危害進(jìn)行等級(jí)劃分。本文以成渝鐵路線上某典型鐵路隧道為工程依托，借助AN-SYS有限元模擬軟件，針對(duì)不同尺寸下的縱向裂縫研究，著重分析不同位置、深度、長度裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，揭示不同規(guī)�？臻g裂縫下襯砌結(jié)構(gòu)安全性的變化規(guī)律，并在已有公路、鐵路隧道襯砌裂縫定性、定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了空間裂縫安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同規(guī)模裂縫危害進(jìn)行等級(jí)劃分，并針對(duì)不同的襯砌結(jié)構(gòu)裂損情況提出相應(yīng)的整治措施。
1 工程概況
某隧道建于1982年，為成渝鐵路上雙線隧道，隧道總長570 m，目前已服役運(yùn)營32年；該隧道具有這一時(shí)期修建隧道的典型特征，采用混凝土襯砌，部分區(qū)段為包含防水層的復(fù)合式襯砌，跨度大。通過對(duì)該隧道調(diào)研和檢測，從現(xiàn)場初步檢查情況看，隧道存在縱向、環(huán)向及斜向裂縫，其中以縱向裂縫為主；襯砌裂縫測量結(jié)果表明，裂縫長度大致分布為1.5～7 m，深度從幾厘米到幾十厘米均有分布，裂縫寬度相對(duì)較小，為3 mm左右。
2 計(jì)算模型建立
本文采用荷載結(jié)構(gòu)模型法來模擬隧道襯砌與圍巖之間的相互作用，以深埋隧道為例，其襯砌荷載結(jié)構(gòu)模式如圖1所示，計(jì)算模型如圖2所示，計(jì)算參數(shù)如表1所示。對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，選取拱頂、拱腰、拱腳及邊墻共7處截面為檢算截面（圖3），研究裂縫病害對(duì)各檢算截面的安全影響程度。
3 裂縫病害下襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析
3.1 計(jì)算工況設(shè)計(jì)
基于現(xiàn)場檢測結(jié)果，襯砌裂縫共取4種不同深度，共取5種裂縫長度，并選取拱頂及拱腰部位進(jìn)行數(shù)值模擬分析。
3.2計(jì)算結(jié)果分析
根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：根據(jù)材料的極限強(qiáng)度，計(jì)算出偏心受壓構(gòu)件的極限承載力，然后與結(jié)構(gòu)實(shí)際內(nèi)力進(jìn)行比較，即可得截面的抗壓（抗拉）強(qiáng)度 安全系數(shù)K。最后檢查所得的安全系數(shù)是否滿足《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》所要求的數(shù)值。計(jì)算襯砌拱頂及拱腰存在不同尺寸裂縫下襯砌各截面的安全系數(shù)，下面對(duì)不同尺寸裂縫下拱頂及拱腰關(guān)鍵截面安全系數(shù)變化進(jìn)行回歸分析。
3.2.1拱頂裂縫下襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析
1)拱頂產(chǎn)生裂縫時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)表現(xiàn)為對(duì)稱分布，裂縫對(duì)裂縫所在區(qū)域襯砌截面的安全性危害最 大，對(duì)其它部位影響相對(duì)較小。拱頂截面安全系數(shù)隨著裂縫深度增加變化最為顯著，其它部位安全系數(shù)隨著裂縫深度增加變化不大。尤其是當(dāng)拱頂裂縫的深度由0.2h變?yōu)?. 4h時(shí)，拱頂?shù)陌踩禂?shù)下降最為明顯，可見裂縫深度0. 4h對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響要比0.2h時(shí)大的多，更值得關(guān)注。裂縫深度超過0. 4h時(shí)，隨著裂縫深度的增加，截面安全系數(shù)變化不大，但是襯砌承載能力還是在不斷下降的；且在裂縫深度為0. 6h時(shí)，截面安全系數(shù)已降到1.0以下，為保證襯砌結(jié)構(gòu)安全，裂縫深度不宜超過0. 6h，為防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展，此時(shí)可采取嵌 鋼拱架加固，并聯(lián)合網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。
2)當(dāng)裂縫長度一定時(shí)，隨著裂縫深度的增加，拱部安全系數(shù)降低顯著；當(dāng)裂縫深度一定時(shí)，隨著裂縫長度的增加，拱部安全系數(shù)降低緩慢。由此可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)裂縫長度來說，裂縫深度對(duì)拱頂安全系數(shù)的影響要大多。
3.2 .2拱腰裂縫下襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析
1)拱腰裂縫作為非對(duì)稱病害，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均表現(xiàn)為非對(duì)稱分布，且拱腰裂縫對(duì)拱腰區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)有較大的影響，對(duì)其它部位影響可以忽略不計(jì) ；當(dāng)裂縫長度一定時(shí)，隨著裂縫深度的增加，拱腰截面安全系數(shù)出現(xiàn)先減小后略增大再迅速減小的趨勢(shì)，在裂縫深度小于0. 4h或大于0.6h時(shí)，拱腰截面安全系數(shù)降低比較明顯，裂縫深度尺寸越大，截面安全系數(shù)降低幅度越大，且在深度為0. 75h左右時(shí)拱腰截面安全系數(shù)降到1.0以下。可見裂縫深度為0. 4h和0.75h對(duì)截面安全系數(shù)影響較大，為保證隧道結(jié)構(gòu)安全，拱腰裂縫深度不宜超過0. 75h。
2)當(dāng)裂縫深度一定時(shí)，隨著裂縫長度的增加，拱腰安全系數(shù)降低緩慢，相對(duì)裂縫深度來說，裂縫長度對(duì)拱腰安全系數(shù)的影響要小得多。
3)由圖6~9可知，對(duì)于拱頂產(chǎn)生裂縫，當(dāng)裂縫深度為0. 4h，長度為1m時(shí)，截面安全系數(shù)降到1.42，低于危險(xiǎn)截面安全系數(shù)‘“3 3.6；對(duì)于拱腰產(chǎn)生裂縫，當(dāng)裂縫深度為0. 8h，長度為1m時(shí)，截面安全系數(shù)才降到1.08，低于危險(xiǎn)截面安全系數(shù)3.6；可見拱頂裂縫引起的截面安全系數(shù)降低幅度明顯大于拱腰裂縫，拱頂裂縫存在時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的極限承載深度比拱腰裂縫要短的多，所以拱頂裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的危害程度要比拱腰裂縫大的多。
4 裂縫下襯砌安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立
運(yùn)營鐵路隧道安全性評(píng)價(jià)的指標(biāo)是在對(duì)隧道內(nèi)病害充分了解下進(jìn)行選取的，為了使所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有足夠的代表性并更好地反映運(yùn)營鐵路隧道的安全狀態(tài)，根據(jù)科學(xué)性原則、相對(duì)完備性原則、簡捷性原則、相對(duì)獨(dú)立性原則、層次性原則、簡明性和可操作性原則六項(xiàng)原則，結(jié)合本文數(shù)值模擬結(jié)果及已有的研究成果和《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，篩選出評(píng)價(jià)裂縫病害下鐵路隧道安全狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)為裂縫長度和寬度、深度、裂縫產(chǎn)生的位置以及裂縫的發(fā)展性。
對(duì)于襯砌裂縫長度和寬度的判定，在我國《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中給出了定量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于裂縫的發(fā)展性，我國《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）還提出了裂縫發(fā)展速率；但對(duì)于襯砌裂縫位置和深度的判定，目前還鮮有研究，我國《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中，也只是給出了襯砌裂縫深度的檢測方法，未給出其判定結(jié)果�，F(xiàn)場檢測結(jié)果及已有成果表明縱向裂縫主要分布在隧道拱頂和拱腰，所以本文主要考慮拱頂和拱腰位置裂縫。在建立裂縫安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，結(jié)合《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》及《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）和《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)一隧道》的相關(guān)規(guī)定，以及本文襯砌裂縫長度和深度數(shù)值模擬分析結(jié)果，建立考慮裂縫產(chǎn)生位置的，以襯砌裂縫寬度、長度、深度以及裂縫的發(fā)展性為評(píng)價(jià)指標(biāo)的、定量評(píng)價(jià)和定性評(píng)價(jià)相結(jié)合的四級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同規(guī)模裂縫危害進(jìn)行等級(jí)劃分，并針對(duì)不同的襯砌結(jié)構(gòu)裂損情況提出相應(yīng)的整治措施，如表3所示。
5結(jié)論
1)裂縫對(duì)裂縫附近區(qū)域結(jié)構(gòu)的安全性危害最大，對(duì)其它部位影響相對(duì)較小，且拱頂裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的危害程度要大于拱腰裂縫。
2)裂縫附近截面安全系數(shù)隨著裂縫深度增加而下降顯著，但裂縫長度對(duì)截面安全系數(shù)影響相比深度影響要小得多，可見裂縫深度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性危害要比長度大的多。
3)基于不同規(guī)模裂縫下隧道結(jié)構(gòu)安全性分析結(jié)果并在已有公路、鐵路隧道襯砌裂縫定性、定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了空間裂縫下襯砌結(jié)構(gòu)安全性四級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)裂縫病害對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響的合理評(píng)估。
6摘要：基于現(xiàn)場檢測結(jié)果，針對(duì)隧道襯砌裂縫病害，借助ANSYS有限元分析軟件，采用荷載一結(jié)構(gòu)法建立含縱向裂縫的隧道計(jì)算模型，考慮拱頂和拱腰部位裂縫，分析不同長度、深度裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響大小，并總結(jié)不同規(guī)模裂縫下襯砌結(jié)構(gòu)安全性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：裂縫對(duì)裂縫附近區(qū)域結(jié)構(gòu)的安全性危害最大，拱頂裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的危害程度要遠(yuǎn)大于拱腰裂縫，且裂縫深度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響較裂縫長度更為顯著，最后在此基礎(chǔ)上提出了空間裂縫下襯砌結(jié)構(gòu)安全性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同規(guī)模裂縫危害進(jìn)行等級(jí)劃分，為隧道相應(yīng)的病害整治提供了依據(jù)。
