随着国家经济的飞速发展, 为满足人们日益增长的出行需求, 以隧道建设为代表的基础建设项目迅速增加。已建成或在建铁路隧道调查结果表明, 相当比例的隧道存在结构缺陷问题^[1,2], 其中以衬砌脱空较为突出^[3]。由于隧道结构缺陷的存在具有普遍性及较大的危害性, 国内外建设领域已经逐渐重视隧道结构缺陷的相关问题^[4,5,6,7,8]。截至目前, 不少学者及研究人员对隧道结构缺陷影响进行了研究, 李彬等^[9]针对隧道材料劣化、衬砌欠厚及脱空3类病害, 分析了运营隧道结构缺陷对衬砌安全性影响规律;吕勇^[10]通过对琯头岭隧道的衬砌专项检查和结构验算分析, 查明了隧道衬砌结构的病害分布及程度, 提出了合理的处治措施;晏启祥^[11]等对白岭窟隧道衬砌壁后空洞病害进行了检测, 基本探明了该隧道壁后空洞的分布形态和分布规律, 继而对隧道的整体安全性进行了评估。上述研究结果经过工程实践验证, 取得了丰富的研究成果, 能够较好地指导同类工程。为进一步明确铁路隧道衬砌脱空对结构安全性影响, 本文依托某铁路隧道缺陷整治工程, 基于FLAC软件建立分析模型, 探究在不同脱空位置、不同脱空程度的情况下衬砌安全性影响规律, 并结合工程实际制定可行有效的衬砌脱空整治方案, 以期为同类整治工程的设计与施工提供参考。

某铁路隧道位于嘉陵江右岸, 进口里程K504+901, 出口里程K511+893, 全长6 992m。隧址区地质构造复杂, 洞身穿越7条断层带, 地层岩体破碎, 围岩等级多为Ⅳ, Ⅴ级 (见图1) 。此外, 该隧道为可溶岩隧道, 岩溶较发育, 隧址区存在多条地下暗河, 开挖过程中揭露多处溶洞。隧道修建过程中, 由于地质条件复杂、不当施工等多种因素导致隧道多处出现衬砌脱空, 脱空问题的存在是隧道结构安全性的一大隐患。针对上述结构缺陷情况, 研究衬砌脱空对结构安全性的影响, 合理评价衬砌结构安全性具有实质性意义。

该隧道内存在多处衬砌脱空缺陷, 其中以K505+581处衬砌脱空最为典型。经现场调查发现此断面拱顶部位出现较为明显的脱空缺陷, 脱空面积约为3m×2m, 破除脱空部位衬砌混凝土揭露脱空部位实际情况如图2所示。经现场测量 (见图2a) , 脱空部位衬砌厚度满足设计要求, 结合实际脱空情况 (见图2b) , 分析此处脱空原因:施工期间隧道超挖严重或未对隧身岩溶充分揭露。

统计该隧道其他处的脱空情况, 结果表明该隧道脱空缺陷具有两个特点: (1) 脱空缺陷主要发生于衬砌拱部区域, 其中以拱顶、拱肩处脱空数量最多, 拱腰处脱空亦有一定数量; (2) 发生脱空缺陷的部位, 衬砌结构未出现明显欠厚。

基于该隧道衬砌脱空缺陷情况, 本文选取具有代表性的K505+581断面, 在衬砌厚度满足设计要求的前提下, 建立衬砌脱空计算模型, 研究衬砌结构拱部区域在不同脱空形式下的衬砌结构安全性。

根据依托隧道衬砌脱空缺陷统计结果, 以及相关研究成果^[12,13], 衬砌脱空频发区域为拱部区域, 其他部位脱空比例相对较少, 因此本文模拟研究中主要讨论拱顶、拱肩、拱腰3个位置处的衬砌脱空。

根据相关文献统计结果^[12], 衬砌脱空高度基本服从正态分布曲线, 脱空高度值以10cm为中心并向两侧递减分布, 各部位脱空高度以8~12cm为主, 结合现场情况, 本文取拟研究位置 (拱顶、拱肩、拱腰) 的脱空高度基准值为10cm。

竣工图纸显示K505+581断面对应的结构支护为Ⅳ_A级支护形式, 如图3所示。主要支护参数为:初期支护厚度为23cm, 二次衬砌厚度为45cm, 锚杆长度为3.5m, 间距为1.2m×1.2m (纵向×环向) 。

地勘资料显示K505+581断面处于断层影响区, 岩体破碎, 围岩为钙质页岩夹泥灰岩, 为Ⅳ级围岩段, 埋深约为200m。基于上述地质情况, 建立“隧道-地层”模型, 模型边界取为:水平两侧边界距离隧道3倍洞径以上, 各取50m;顶部、底部距离隧道3倍洞径以上, 各取50m;总模型取为长×宽=100m×100m。

模型边界条件取为:底面为固定约束, 两侧为水平约束, 顶面承受顶面以上土体的等效荷载应力, 保证隧道承受对应的埋深压力, 如图4所示。

根据边界条件及结构断面图, 采用FLAC软件建立未有脱空及拱顶、拱肩、拱腰脱空情况下的隧道结构计算模型如图5所示。需要说明的是, 以上模型最大脱空高度均为10cm, 脱空区长度根据实际情况均取为2m, 且衬砌结构厚度均未有欠厚。

计算模型均采用实体单元, 其中围岩、锚杆加固区服从莫尔-库仑本构, 初支、二衬、仰拱服从弹性本构, 各实体单元的材料参数均为各向同性。

根据地勘资料, 该断面围岩主要为页岩夹泥灰岩、泥灰岩夹页岩2种, 且以断层交界面为分界面, 模型中对上述2种岩体均予以考虑, 围岩具体参数依据地勘资料取值;支护结构的力学参数按照“等效刚度法”计算;各材料计算参数如表1所示。

根据拟分析脱空特征参数, 设置5个计算工况, 具体工况如下: (1) 设置未脱空的计算工况1, 分析未脱空时的衬砌安全性, 作为后续脱空条件下结构安全性评价的重要参考; (2) 根据不同脱空部位, 设置计算工况2, 3, 4, 分别对应计算拱顶、拱肩、拱腰脱空时的结构安全性, 探究不同脱空部位的影响规律, 并以此确定脱空导致的不良影响最为明显的拱部脱空敏感部位; (3) 根据得到的脱空敏感部位, 设置计算工况5, 探究该部位在更大脱空高度时的结构安全性, 由于该工况需要前4个工况的计算结果方能确定, 故该工况具体设置方式见后文3.2节。

基于已建衬砌脱空模型, 对工况1~4进行计算, 探讨不同脱空部位对衬砌内力、衬砌安全性、衬砌变形的影响规律。

工况1~4衬砌内力结果如图6所示, 需要说明的是, 轴力以标识于轮廓线以外表示受压, 弯矩以标识于外侧表示外侧受拉。此外, 由于实体单元仅能提取应力, 本文通过编制软件内置FISH语言实现“应力转为内力”的功能。

由图可知: (1) 在未脱空情况下, 衬砌结构全环受压, 同时拱脚、拱腰、边墙脚位置处结构轴力值较大, 最大轴力值为2 338kN (拱脚) , 而结构弯矩以拱脚为分界线, 拱脚以下普遍较大, 结构最大弯矩为132.1kN·m (拱脚) , 外侧受拉。 (2) 以工况1为基准, 对比工况2, 3, 4的脱空部位内力情况, 可以得出衬砌脱空的发生会导致脱空部位受力状态明显改变:结构轴力较大提升, 但仍为受压承载;而结构弯矩大幅增长, 且受拉侧方向均改为外侧受拉。 (3) 工况2, 3, 4的衬砌结构最大轴力分别为2 629kN (拱脚) 、2 752kN (拱脚) 、3 338kN (拱肩) , 最大弯矩分别为163.1kN·m (拱脚) 、175.6kN·m (拱脚) 、178.3kN·m (拱脚) , 以上数据表明随着脱空部位高度的降低, 衬砌轴力、弯矩最值均有所增大。分析上述规律, 这应是由于结构承载方式以及围岩荷载分布特性导致拱脚承受较大结构内力, 而衬砌脱空会导致脱空部位内力明显增长, 若脱空部位越靠近拱脚时, 较大的初始轴力、弯矩与脱空引发的内力增长的叠加最终导致在脱空部位及内力较大的拱脚出现结构最大内力逐步上升的发展规律。

根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中隧道结构安全系数计算方法^[14], 得到工况1~4隧道衬砌结构安全系数分布如图7所示。

由图可知: (1) 在未脱空的情况下, 衬砌最小安全系数为3.25 (抗压) , 位于拱脚部位, 满足《铁路隧道设计规范》中“抗压安全系数大于2.4, 抗拉安全系数大于2.0”的规定, 表明未脱空时结构安全性能够满足规范要求, 且具有一定安全储备。 (2) 未脱空、拱顶脱空、拱肩脱空、拱腰脱空时衬砌最小安全系数分别为3.25 (拱脚) 、2.90 (拱脚) 、2.75 (拱脚) 、2.46 (拱腰) , 以上数据表明随脱空部位高度的降低衬砌结构安全性逐步降低, 且最小安全系数点发生转移, 当拱腰脱空时安全系数为2.46, 已十分接近规范要求的限值。上述规律的原因应是结构内力的增长及变化, 脱空部位及拱脚部位内力的进一步增长最终导致结构安全性明显降低。 (3) 综合工况2~4计算结果, 可以认为上述3处脱空中安全性影响最大的部位是隧道拱腰, 拱腰发生脱空缺陷应当引起高度重视, 同时拱腰部位应是拱部脱空敏感部位。 (4) 此外, 对于拱肩、拱腰不对称脱空时, 脱空导致的内力增大存在左右侧不对称情况, 非脱空侧内力增长幅度明显大于脱空侧, 因此在发生脱空缺陷时应对非脱空侧 (尤其是非脱空侧拱脚) 衬砌安全性引起足够重视。

工况1~4的隧道衬砌变形量结果 (水平位移、竖向位移) 如表2所示, 其中各位移值以向隧道内变形为正值。

由表2可知: (1) 以工况1为基准, 对比工况2, 3, 4的衬砌变形分布情况, 可以发现当衬砌出现脱空时, 衬砌结构变形量均变化不大, 仍处于较合理的范围。分析上述规律, 这应与衬砌结构受力成环, 整体刚度较大, 限制不利变形能力较强有关。 (2) 结合内力、安全性计算结果, 可以认为衬砌发生脱空时, 引发的结构不良影响主要在于削弱结构刚度, 增大结构内力, 恶化结构受力, 降低结构安全性, 而衬砌结构位移的变化量不大, 应不属于主要影响。

衬砌脱空主要影响因素是脱空部位以及脱空高度, 前文已对不同脱空部位进行了计算分析, 结果表明拱腰是拱部脱空敏感部位。同时根据文献^[13]统计最大脱空高度可达20余cm, 因此以拱腰部位为典型, 增设最大脱空高度为25cm的计算工况5, 通过对比工况1, 4, 5, 探讨不同脱空高度对衬砌结构安全性的影响规律。

基于前文计算模型, 增加拱腰部位脱空区高度至25cm, 得到工况5计算模型如图8所示。

工况5衬砌内力计算结果如图9所示, 内力分布绘制方式前文已述。

由图可知: (1) 相比于未脱空时, 拱腰脱空25cm情况下, 衬砌结构仍为全环受压且拱腰、拱脚处轴力值较大, 但全环轴力出现较大增长, 最大轴力从2 338kN (拱脚) 增至3 848kN (拱腰) ;而结构弯矩在拱腰、拱脚部位增幅明显, 其中脱空部位 (拱腰) 弯矩值从18.28kN·m增至195.5kN·m, 增量达1个数量级。 (2) 相比于工况4, 拱腰脱空高度从10cm增至25cm, 衬砌结构轴力、弯矩均有较大增长, 其中最大轴力、弯矩增长率分别为15.27%, 25.97%;而脱空部位轴力、弯矩的增长亦十分明显, 其弯矩增长率为30.05%;同时工况5亦出现了“内力左右分布不对称, 除脱空部位外非脱空侧内力大于脱空侧”的分布规律。

根据《铁路隧道设计规范》中隧道结构安全系数计算方法^[14], 得到工况5隧道衬砌结构安全系数分布如图10所示, 由图可知: (1) 在拱腰脱空25cm的情况下, 衬砌全环安全性均出现了降低, 其中最小安全系数为2.08 (抗压) , 发生于拱腰部位, 该值已无法满足《铁路隧道设计规范》限值要求, 考虑脱空缺陷引起的其他不利影响, 现实工程中有较大可能出现结构安全性问题。 (2) 综合工况1, 4, 5, 表明随脱空高度的增加衬砌结构安全性逐渐降低, 最终导致结构安全性不能满足规范要求, 且最小安全系数点从未脱空时的拱脚转移至脱空部位。结合前文内力分布情况, 分析上述现象的原因, 是由于衬砌脱空后, 在围岩荷载作用下脱空部位衬砌外部未能受到围岩抵抗, 使该处衬砌发生向外变形, 结构变形量增加, 且局部结构内力发生突变 (轴力值明显增加, 弯矩值大幅增加) , 最终导致脱空部位结构安全性无法满足规范要求。

工况1, 4, 5的隧道衬砌变形量结果 (水平位移、竖向位移) 如表3所示, 其中各位移值以向隧道内变形为正值。

由表可知:随脱空高度的增加, 衬砌结构变形量以水平位移变化为主, 但是变化量值均不大, 衬砌位移仍处于较合理的范围, 因此脱空导致的衬砌结构位移变化应不属于主要不良影响。

数值结果表明脱空缺陷的存在会明显影响衬砌结构安全性, 因此检测得出的脱空缺陷工点需要采用适宜方法进行整治处理。

以K505+581处拱顶脱空为例, 参考同类案例, 制定整治流程为:采用开“天窗”方式补强加固, 通过开“天窗”重构局部防排水系统后实施锚网喷混凝土进行补强。具体流程细节为: (1) 合理选定“开天窗”边界对脱空部位衬砌混凝土予以破除, “天窗”形状为规则图形, 其边缘混凝土厚度需>20cm。 (2) 防水板补强重构将天窗部位防水板沿纵向、环向开出切口, 采用带熔垫片的钉子固定;用与原防水板等大的防水板进行焊接补板处理, 同时防水板外侧需粘贴无纺布。 (3) 脱空区外层植筋重构防水板后在天窗内架设42钢管架, 间距50cm, 并在钢管上部焊接原设计的16环向钢筋, 间距20cm, 插入脱空部分, 钢筋接头部需采用无纺布包裹, 防止顶破防水板。 (4) 脱空区内层植筋内层植筋需距离最终内轮廓线7~10cm;环向筋直径≥16mm、间距15~20cm, 纵向筋直径≥10 mm, 间距20~30cm。 (5) 预设注浆管路在钢筋布设完毕后, 预设回填注浆管路, 注浆管埋设在脱空最高部位, 埋设两根, 分别为注浆孔、排气孔。 (6) 分层喷射混凝土

注浆管埋设后对脱空部位采取360°环向喷射细石混凝土, 确保脱空部分喷射密实, 然后对钢筋网部分进行分层喷射密实。 (7) 回填注浆待喷射混凝土强度达到要求后, 对脱空部分实施回填注浆, 回填压力0.4MP。 (8) 锚网喷加固及表面清理对钎钉区域衬砌表面进行凿毛, 钻出钎钉孔, 按照间距30cm设置钎钉, 挂设6钢筋网片, 喷5±2cm厚C25混凝土, 在喷混凝土初凝后, 用软钢丝刷清理喷混凝土表面。

按照以上流程整治处理后, 该处结构已无脱空现象, 且经过数年时间检验证明该整治方案能够保证隧道的结构安全及使用安全, 可为同类缺陷整治工程提供借鉴参考。

本文依托某铁路隧道缺陷整治工程, 基于FLAC软件建立分析模型, 探究在不同脱空位置、不同脱空程度的情况下衬砌安全性影响规律, 并制定可行有效的衬砌脱空整治方案, 得到结论如下。

1) 衬砌脱空的主要不良影响在于恶化结构受力, 降低结构安全性, 而衬砌结构位移变化量不大, 可认为脱空引起的位移变化不属于主要影响。

2) 衬砌结构承载方式以及围岩荷载分布特性导致隧道拱脚承受较大结构内力, 当脱空部位距离拱脚越近时, 脱空引发的内力增长与初始结构内力的叠加作用越为明显, 最终导致脱空部位或拱脚安全性无法满足规范要求, 危及隧道结构安全。

3) 随脱空高度的增加, 结构安全性逐渐降低, 常见脱空高度便能使结构安全性接近规范限值, 而稍大脱空高度已使结构安全性无法满足规范要求, 同时结构危险点从拱脚转移至脱空部位。

4) 对于非对称性脱空, 脱空侧结构安全性往往是人们重点关注的, 然而计算结果表明除脱空部位范围外, 非脱空侧安全性均小于对应的脱空侧部位, 故非脱空侧结构安全也需予以重视。

5) 结合实际情况制定了典型脱空工点的整治方案, 现场实际效果证明了该整治方案的有效性, 能够保证隧道的使用安全及运营安全, 可为同类缺陷整治工程提供借鉴参考。