黄雄军
【摘 要】针对一铁路隧道检测发现的二次衬砌结构病害问题,运用ANSYS软件对隧道二次衬砌缺陷段结构受力及配筋进行计算分析安全评价.结果表明:该隧道拱顶二次衬砌结构受到的压应力及拉应力均满足极限抗压强度及极限抗拉强度要求,且拱顶部位的实际配筋量满足承载要求,但不满足构造配筋要求.针对钢筋间距局部不满足设计要求这一情况,提出了具体的整治措施及施工管理预防措施,以利于后期运营维护.
【期刊名称】《铁道建筑》 【年(卷),期】2018(058)008 【总页数】4页(P67-70)
【关键词】铁路隧道;二次衬砌;数值计算;安全评价;缺陷整治及预防 【作 者】黄雄军
【作者单位】中国铁路总公司工程质量监督管理局,北京 100844 【正文语种】中 文 【中图分类】U455
随着我国基础设施大规模投资和施工技术的不断创新，已建成的公路隧道及铁路隧道也越来越多。由于工程、水文地质的客观影响以及设计、施工过程中人为因素的影响，造成很多隧道在建成后即出现不同的病害，如隧道渗漏水、隧道壁后空洞、
裂缝、翻浆冒泥等局部缺陷。这些缺陷对隧道的安全运营造成很大的隐患。为了消除或降低这些病害对隧道运营造成的危害，可根据公路或铁路隧道的维修养护规程进行相应的整治。基于此，本文针对一隧道二次衬砌局部地段检测结果发现钢筋间距不满足设计要求这一工况，对隧道二次衬砌进行安全评价及对缺陷整治进行探讨，以期为类似工程提供参考。 1 工程概况
一铁路隧道衬砌结构按照新奥法原理进行设计，各级围岩均采用复合式衬砌，在地质条件较差段辅以不同形式的超前支护。隧道全长3 469 m。其中一段二次衬砌完工后，应用地质雷达对二次衬砌进行了质量检测，结果表明局部里程段二次衬砌钢筋(主筋)平均间距不满足设计及规范要求，结果见表1。
结合设计施工图及表1可知:偏大里程段二次衬砌钢筋均处于Ⅳ级围岩深埋地段，衬砌类型为一般Ⅳ级复合式衬砌，二次衬砌设计厚度为45 cm，配筋为5φ18，钢筋间距为20 cm；但从检测结果看，检测部位的二次衬砌钢筋间距为30～35cm，不满足设计要求。为检验二次衬砌在使用过程中的安全性，进行了安全评价。 表1 隧道二次衬砌质量检测结果缺陷里程 缺陷长度/m 缺陷类型DK52+960—DK52+990 30 二衬主筋间距偏大，设计间距20 cm，实测平均间距35 cm DK53+225—DK53+235 10 二衬主筋间距偏大，设计间距20 cm，实测平均间距35 cm DK53+250—DK53+260 10 二衬主筋间距偏大，设计间距20 cm，实测平均间距30 cm 2 安全评价标准
依据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》计算围岩压力，并对二次衬砌结构的抗压强度、满足抗裂要求的抗拉强度进行检算。当素混凝土截面强度不满足规范要求时，再对钢筋混凝土截面强度进行检算。根据TB 10003—2005规定，混凝土和钢筋混凝土结构的强度安全系数见表2，表3。
表2 钢筋混凝土结构的强度安全系数荷载组合破坏原因钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度混凝土达到抗拉极限强度主要荷载 2.0 2.4主要荷载+附加荷载 1.7 2.0
由表2、表3可知:在二次衬砌混凝土结构检算时，采用主要荷载组合，如衬砌结构混凝土达到抗压极限强度(即混凝土抗压强度控制)时，安全系数应≥2.4；如衬砌结构混凝土达到抗拉极限强度(即混凝土抗裂强度控制)时，安全系数应≥3.6；如衬砌结构钢筋达到抗拉极限强度(即钢筋抗拉强度控制)时，安全系数应≥2.0。 表3 混凝土和砌体结构的强度安全系数材料种类 荷载组合破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度混凝土达到抗拉极限强度混凝土 主要荷载 2.4 3.6主要荷载+附加荷载 2.0 3.0砌体 主要荷载 2.7主要荷载+附加荷载 2.3 3 隧道缺陷段的检算 3.1 计算方法和工况选择 3.1.1 计算模型
根据现行TB 10003—2005的围岩级别划分，考虑隧道埋深，按荷载-结构模式进行结构计算，按破损阶段法进行强度校核，通过工程类比确定衬砌支护参数。计算复合式衬砌时，初期支护按主要承载结构考虑，二次衬砌在Ⅱ，Ⅲ级围岩中可作为安全储备，在Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ级围岩中可为承载结构。
采用有限元软件ANSYS对隧道二次衬砌结构进行安全评估，用梁单元来模拟衬砌结构，梁单元宽度为单位宽度，即1 m，梁高按实际二次衬砌厚度计算；用弹簧单元(只受压)来模拟初期支护对模筑衬砌的抗力。对弹簧单元外部施加固定约束，对梁单元施加载荷，计算得到二次衬砌的结构内力，然后检算其安全系数是否满足规范要求。隧道计算模型如图1所示。 图1 有限元分析模型 3.1.2 材料参数
根据TB 10003—2005，计算中Ⅳ级围岩及二次衬砌采用的物理力学参数见表4；二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙厚度45 cm，仰拱厚度55 cm。 3.1.3 荷载计算
依据围岩压力计算方法，结合该隧道 DK52+960—DK52+990，DK53+225—DK53+235，DK53+250—DK53+260检测发现局部钢筋间距不满足设计要求这一情况，根据实际埋设和强度检测结果，取最不利的一种工况进行安全检算:即为Ⅳ级围岩深埋状态，最大埋深为56.87 m，侧压力系数取0.25，荷载情况见表5。 表4 围岩及结构物理力学参数围岩及结构重度/(kN/m3)内摩擦角/(°)计算摩擦角/(°)弹性模量/GPa黏聚力/kPa泊松比弹性抗力系数/(MPa/m)Ⅳ级围岩 22 33 53 3 450 0.33 300二次衬砌 25 31.5 0.2
表5 Ⅳ级围岩荷载情况最大埋深/m二次衬砌承担围岩压力垂直荷载/kPa水平荷载/kPa 56.87 50% 73.933 18.483 3.2 计算结果及分析
衬砌结构内力计算结果见图2。 图2 衬砌结构内力计算结果
依据图2计算结果及TB 10003—2005，对二次衬砌混凝土结构进行检算，结果见表6。
由表6可知:当衬砌结构混凝土达到抗压极限强度(即混凝土抗压强度控制)时，安全系数最小为16.25，均大于2.4，表明结构处于安全状态；当衬砌结构混凝土达到抗拉极限强度(即混凝土抗拉强度控制)时，安全系数最小4.46，均大于3.6，表明结构处于安全状态；A处(拱顶)处于钢筋抗拉控制，考虑配置钢筋情况，采用破损阶段法按照对称配筋进行配筋计算，实际配筋面积大于控制截面拱顶计算需要的配筋面积，实际结构配筋满足TB 10003—2005承载力要求。
TB 10003—2005规定钢筋混凝土结构需满足最小配筋率要求，受弯构件、偏心
受拉、轴心受拉构件一侧的受拉钢筋的最小配筋率为0.2%或(45fctd/fstd)%(fctd表示混凝土轴心抗拉强度设计值；fstd表示钢筋抗拉强度设计值)。经计算，该检算断面拱顶部位构件一侧的受拉钢筋构造配筋量大于最小配筋量。
因此，该检算断面拱顶部位的实际配筋量满足承载力要求，但不满足构造配筋要求，需要对不满足构造配筋要求的二次衬砌段进行补强。
表6 二次衬砌控制截面的安全系数位置 弯矩/(N·m)轴力/N偏心距/mm偏心距与混凝土截面厚度之比 拉压控制 安全系数 是否满足承载能力要求A 84 129 -457 430 0.184 0.409 钢筋抗拉控制 2.00 满足B -71 581 -521 470 0.137 0.305 混凝土抗拉控制 4.46 满足B′ -71 581 -521 470 0.137 0.305 混凝土抗拉控制 4.46 满足C 17 653 -720 540 0.024 0.054 混凝土抗压控制 16.25 满足C′ 17 653 -720 540 0.024 0.054 混凝土抗压控制 16.25 满足D -31 866 -739 000 0.043 0.078 混凝土抗压控制 18.98 满足D′ -31 866 -739 000 0.043 0.078 混凝土抗压控制 18.98 满足E 46 026 -778 720 0.059 0.107 混凝土抗压控制 17.33 满足E′ 46 026 -778 720 0.059 0.107 混凝土抗压控制 17.33 满足F 15 457 -784 720 0.020 0.036 混凝土抗压控制 18.37 满足 4 缺陷整治
在出现缺陷后，要制订有针对性的整治方案，采取有针对性的整治措施，缺陷整治后尽可能满足设计要求。由于上述二次衬砌个别地段钢筋间距不满足设计要求，没有拆除缺陷段返工重新浇注二次衬砌条件，所以根据上述计算结果，对不满足构造配筋地段采取补强措施，常采用钢拱架加固或网喷加固[1-3]。 4.1 钢拱架加固方案
在不侵限隧道净空断面的情况下，缺筋较多地段，可采用钢拱架加固。考虑采用Ia型钢钢架在现有衬砌内部进行加固，钢架间距一般为1.5 m/榀，钢架接头附近每处设置2根φ22锁脚锚杆，长度3.0 m，以固定钢架，锚杆端部应与钢架焊接
牢固，钢架之间设φ22连接筋，环向间距1.0 m。
型钢各节之间采用钢板与型钢端部焊接后，再用螺栓连接紧实。型钢钢架应沿着隧道环向，确保钢架的垂直度，避免钢架受到列车振动等情况的影响。架立钢架时应确保钢架基础稳定可靠。
网喷混凝土补强。钢架架设完成，并锚固牢固后，拱墙采用挂网(钢筋 φ10，间距20 cm×20 cm)、喷射C25混凝土进行补强(厚10 cm)。 4.2 网喷混凝土加固方案
受隧道净空影响或缺筋较少地段，可考虑采用网喷混凝土加固。设置50 cm×50 cm的钎钉，采用φ16螺纹钢，钎钉打设深度2d/3(d为衬砌厚度)，外露长度8 cm。采用双层钢筋网，φ6.5钢筋，第1层紧贴原衬砌面，孔距10 cm×10 cm。第2层位于喷射混凝土外层表面，孔距5 cm×5 cm。衬砌表面按照规范标准进行凿毛处理。喷混凝土厚8 cm，分层喷射，每层停40 min，喷混凝土收面用钢刷清除浮石。原衬砌施工缝处必须断开。根据隧道实际工况条件，现场采取网喷混凝土加固方案。 5 缺陷预防
隧道二次衬砌质量缺陷主要有二次衬砌局部厚度不足、强度不够、拱顶存在空洞、局部不密实、钢筋局部间距偏大、钢筋保护层厚度不足、掉块、渗漏水等。上述缺陷产生的原因主要有施工工艺控制不到位、未严格按设计图纸施工、现场监控存在不足、第三方检测不及时或没有发现存在的质量问题等。为提高隧道施工质量，应加强过程质量控制，提高隧道机械化施工水平，强化铁路隧道成套施工技术的应用，完善开挖爆破、喷射混凝土、防水板挂设及焊接、端墙止水带安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑、带模回填注浆等的工艺工法，加强源头管理，做好分级技术交底工作，严格现场作业管理、工序质量控制、监理监督和第三方检测管理，严格按设计施工，积极采用标准化管理手段，大力鼓励工艺工装创新，减少施工过程的不稳定因素
[4-9]。 6 结论及建议
1)当衬砌结构混凝土达到抗压极限强度(即混凝土抗压强度控制)时，安全系数均大于2.4，表明结构处于安全状态；当衬砌结构混凝土达到抗拉极限强度(即混凝土抗裂强度控制)时，安全系数均大于3.6，表明结构处于安全状态；当钢筋达到受拉极限强度且安全系数取2.0时，实际配筋面积大于控制截面拱顶计算需要的配筋面积，实际结构配筋满足TB 10003—2005承载力要求，表明结构处于安全状态，但不满足构造配筋要求，需要对缺陷进行整治。
2)基于二次衬砌已经施工完、且未发生任何异常，建议在不破坏衬砌结构整体稳定性的前提下进行整治，根据实际情况可采用钢拱架加固或网喷加固。
3)要进一步加强隧道施工过程质量控制，按图施工和监控，提前采取预防措施，积极推广标准化管理，避免出现质量缺陷，确保铁路运营安全。 参考文献
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