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砌石鐵路隧道典型病害下安全性研究

王薇1，鄧俊1，姚勇2，尹俊濤1

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；

2.成都鐵路局，四川 成都 610081)

摘要:基于川黔線砌石隧道的現(xiàn)場檢測結(jié)果，針對砌石襯砌隧道空洞和砂漿脫落2種典型病害，利用ANSYS有限元分析軟件，分別建立對應(yīng)不同病害的有限元模型，展開對不同寬度、深度空洞以及不同深度砂漿脫落下襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析。通過對典型危險(xiǎn)截面的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)驗(yàn)算以及灰縫截面的抗拉抗剪驗(yàn)算，找出不同規(guī)模病害下襯砌結(jié)構(gòu)安全性的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)寬度尺寸為2.0 m的空洞對襯砌結(jié)構(gòu)影響較1.5 m空洞大得多，同時(shí)為保障砌石隧道結(jié)構(gòu)安全，建議將砂漿脫落深度控制在5 cm以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：砌石隧道；空洞；砂漿脫落；安全性研究

目前我國新建山嶺隧道都采用混凝土材料的襯砌結(jié)構(gòu)，但砌石襯砌數(shù)量在陳舊鐵路隧道中仍然占著一定的比重，這些運(yùn)營砌石襯砌作為鐵路運(yùn)營的一部分，其安全性往往是人們最為關(guān)注的。由于服役年限較久等原因，目前砌石隧道已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度病害，而這些病害嚴(yán)重影響到了砌石隧道的結(jié)構(gòu)安全性。因此，研究不同規(guī)模典型病害對砌石隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響，這對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。不少學(xué)者對病害下隧道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了研究。王春景等[1]基于結(jié)構(gòu)-荷載法隧道計(jì)算理論，建立了隧道襯砌背后空洞病害結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型研究空洞存在對隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響，研究結(jié)果表明空洞存在可以改變隧道整體剛度和受力狀態(tài)，降低整體承載能力。李彬等[2]針對常見的隧道混凝土材料劣化、襯砌厚度不足及背后脫空3類病害,基于荷載-結(jié)構(gòu)平面分析模型,通過設(shè)置不同病害程度等級,分析運(yùn)營公路隧道病害對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響規(guī)律。靳學(xué)峰[3]研究在隧道拱頂、拱腰位置處呈三角形、矩形及梯形等形狀的空洞對隧道整體結(jié)構(gòu)的影響，并得出了不同方向空洞尺寸對結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)影響程度由大到小依次為：徑向、高度、寬度方向的結(jié)論。陳俊濤[4]研究隧道橫斷面上呈臺梯形、矩形及三角形等不同形狀的空洞，針對每一種空洞形狀分別建立空洞在不同臨空高度、不同寬度寬度、不同隧道縱軸線方向長度的仿真模型，分析得到了在不同工況下，隧道圍巖體的位移應(yīng)力變化規(guī)律及空洞下方初期支護(hù)的拉壓應(yīng)力變化規(guī)律。彭躍等[5]對隧道襯砌背后空洞這種病害采用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)研究了不同部位的空洞以及不同規(guī)模的空洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響。晏啟祥等[6]根據(jù)砌石隧道病害檢測結(jié)果, 開展了不同空洞組合、不同圍巖特性、特定位置不同外水壓力、不同襯砌厚度等條件下襯砌的內(nèi)力有限元分析，最后對病害下的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了評估。王立川等[7]采用數(shù)值分析法,建立地層-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析了脫空對襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響。Huvaz等[8]對隧道襯砌背后空洞的注漿加固進(jìn)行了研究分析，研究了襯砌背后空洞在注漿前、注漿后對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響。Meguid等[9]通過數(shù)值分析方法,對比分析了不同尺寸大小空洞下拱腰處及仰供處空洞對襯砌安全性影響。SHI[10]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隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響。劉永華[11]采用ANSYS數(shù)值模擬分析軟件,對隧道拱頂處存在空洞或裂縫時(shí)二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，通過模擬分析得知,拱頂處的這兩種病害形式將顯著改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),增大二次襯砌結(jié)構(gòu)受拉破壞的可能性,不利于襯砌結(jié)構(gòu)繼續(xù)承擔(dān)荷載。許文鋒[12]以某隧道為例, 利用ANSYS有限元軟件,采用荷載-結(jié)構(gòu)模型,對襯砌開裂的安全性進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的治理措施。劉學(xué)增等[13]通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算分析了裂縫位置和裂縫深度對襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，研究表明隧道拱頂安全系數(shù)隨裂縫深度增加呈線性降低，裂縫深度為襯砌厚度的 50%時(shí)，安全系數(shù)則降低 78%；相同裂縫深度情況下，裂縫在拱頂時(shí)最不利，裂縫在拱腰、邊墻以及拱腳時(shí)對結(jié)構(gòu)安全系數(shù)影響較小。張義紅[14]運(yùn)用有限元數(shù)值分析法，分析了隧道不同位置存在同樣深度的裂縫以及在隧道拱頂位置存在不同深裂縫對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響。目前對病害下隧道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行的大多數(shù)都是針對混凝土隧道，以砌石隧道為對象的病害下安全性研究相對較少。

本文以新場隧道為工程依托，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果確定出的砌石隧道典型病害，借助ANSYS有限元模擬軟件，分析不同規(guī)模尺寸典型病害下襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，并提出相應(yīng)的砌石隧道病害整治建議。

1工程概況

新場隧道建于1965年，為川黔線上單線隧道，隧道全長1 037.2 m，中心里程K188+594，目前已服役運(yùn)營48 a；新場隧道具有這一時(shí)期修建隧道的典型特征，除進(jìn)出口采用混凝土襯砌外，其他區(qū)段均采用砌石襯砌。

通過對新場隧道調(diào)研和檢測，采用地質(zhì)雷達(dá)檢測[15]及直尺量測, 發(fā)現(xiàn)隧道襯砌背后脫空嚴(yán)重，襯砌與圍巖局部脫空或大范圍脫空, 且空洞存在著不同寬度、不同深度尺寸，這些空洞的存在必然大大降低了砌石襯砌的整體性，對隧道結(jié)構(gòu)安全性影響巨大。新場隧道的砌石腐蝕和砂漿脫落現(xiàn)象也非常嚴(yán)重，且砌石邊緣部位腐蝕與砂漿脫落相互促進(jìn)，隧道病害段灰縫的平均寬度為4 cm，有的達(dá)到15 cm的寬度；灰縫的深度平均為5 cm，嚴(yán)重部位深度達(dá)到17 cm。襯砌背后空洞和砂漿脫落必然會對降低隧道結(jié)構(gòu)的安全性，甚至影響到鐵路隧道的安全運(yùn)營。本文以新場隧道為對象，針對襯砌背后空洞以及砂漿脫落兩種典型病害對隧道結(jié)構(gòu)安全性影響進(jìn)行詳細(xì)的模擬與分析。

2計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)資料及試驗(yàn)結(jié)果，Ⅳ級圍巖占據(jù)該隧道總長度的80% ，故選取Ⅳ級圍巖為代表并在考慮條石襯砌砌縫效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元計(jì)算，擬定的數(shù)值分析參數(shù)如表1所示。為考慮隧道出現(xiàn)病害后襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間作用的變化，采用地層應(yīng)力模型模擬襯砌和圍巖的相互作用。計(jì)算模型寬度為46.1 m，高度為68.15 m，隧道縱向取10 m計(jì)算長度，襯砌厚度為0.5 m，模型網(wǎng)格劃分后生成54 640個(gè)單元，59 031個(gè)節(jié)點(diǎn)，上邊界取地表為自由邊界，下邊界為固定，左右邊界水平位移(X軸方向位移)為0，前后邊界z軸方向位移為0。有限元計(jì)算模型及檢算截面如圖1和2所示。

表1　圍巖與結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

圖1　有限元計(jì)算模型Fig.1 Model of finite element calculation

圖2　檢算截面分布圖Fig.2 Distribution diagram of checking section

3空洞下砌石隧道安全性分析

3.1分析工況

為充分分析不同規(guī)模襯砌背后空洞對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響[16]，結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，共選取3種不同空洞深度，深度分別為0.5，1.0和1.5 m， 5種空洞寬度，長度分別為0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m。并選取拱頂和拱腰兩個(gè)不同部位進(jìn)行有限元分析。共包含31種工況，如表2和表3所示。

表2　拱頂背后空洞計(jì)算工況

表3　拱腰背后空洞計(jì)算工況

3.2襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003)[17]規(guī)定：條形石襯砌截面按破壞階段進(jìn)行強(qiáng)度檢算, 即根據(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。

基于各工況軸力彎矩的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出上述 31種工況各截面安全系數(shù)，為研究不同空洞規(guī)模對襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，分別分析襯砌結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)和砌石灰縫界面安全性隨著空洞部位、空洞寬度以及空洞深度尺寸變化規(guī)律。

3.2.1不同規(guī)?？斩闯叽缦?，襯砌危險(xiǎn)截面安全系數(shù)分析

拱頂不同規(guī)?？斩闯叽缦拢安拷孛姘踩禂?shù)變化規(guī)律和拱腰不同規(guī)?？斩闯叽缦?，空洞側(cè)拱腰截面安全系數(shù)變化規(guī)律分別如圖3和4所示。

圖3　不同空洞寬度下拱頂安全系數(shù)變化曲線Fig.3 Varying curve of safety coefficient of the vault under different width of cavity

圖4　不同空洞寬度下拱腰安全系數(shù)變化曲線Fig.4 Varying curve of safety coefficient of the arch waist under different width of cavity

對以上的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析可知：

1)空洞對空洞所在區(qū)域襯砌截面的安全性危害最大，對其它部位影響相對較小。隨著拱頂空洞寬度的增加，拱部的安全系數(shù)下降非常明顯，其它部位安全系數(shù)變化不大。尤其是當(dāng)拱頂空洞的寬度由1.5 m變?yōu)?.0 m時(shí)，拱頂?shù)陌踩禂?shù)下降最為明顯，可見空洞寬度2.0 m對襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響要比1.5 m時(shí)大的多，更值得關(guān)注。

2)由圖3和4可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空洞深度一定，隨著空洞寬度的增加，拱部安全系數(shù)降低顯著；當(dāng)空度寬度一定時(shí)，隨著空洞深度的增加，拱部安全系數(shù)降低緩慢。由此可以發(fā)現(xiàn)，相對空洞深度來說空洞寬度對拱頂安全系數(shù)的影響要大得多。

3.2.2砌石灰縫界面力學(xué)分析

利用各個(gè)計(jì)算工況斷面所得的彎矩、 軸力及剪力, 選取不利截面, 計(jì)算條石之間水泥砂漿界面的拉剪應(yīng)力。條石灰縫截面為50 cm×50 cm, 其受力分析模型如圖5所示。

(1)

(2)

圖5　模型驗(yàn)算示意圖Fig.5 Schematic diagram of model checking

式中: W 為彎曲截面系數(shù)，N受拉為正，受壓為負(fù)。通過計(jì)算最終得到結(jié)果如圖6~9所示。

圖6　拱頂不同空洞寬度下拱部最大拉應(yīng)力變化曲線Fig.6 Model of finite element calculation

圖7　拱頂不同空洞寬度下拱部最大剪應(yīng)力變化曲線Fig.7 Varying curve of maximum shear stress under different width of cavity of the arch

圖8　拱腰不同空洞寬度下拱部最大拉應(yīng)力變化曲線Fig.8 Varying curve of maximum tensile stress under different width of cavity of the arch waist

圖9　拱腰不同空洞寬度下拱部最大剪應(yīng)力變化曲線Fig.9 Varying curve of maximum shear stress under different width of cavity of the arch waist

由圖6～圖9可以發(fā)現(xiàn)：

1)拱部最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力代數(shù)值都隨著空洞寬度增加出現(xiàn)很明顯的增大，隨著空洞深度尺寸的增加則變化不明顯。

2)襯砌內(nèi)側(cè)邊緣應(yīng)力由無空洞下的2.98 MPa壓應(yīng)力逐漸向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，空洞寬度1.5～2.0 m大致處于邊緣應(yīng)力的臨界空洞寬度。且邊緣應(yīng)力增長幅度有逐漸增大的趨勢；空洞寬度超過2.0 m時(shí)，其邊緣拉應(yīng)力處于正值狀態(tài)，已超過灰縫界面破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為0.18 MPa，可知空洞寬度大于2.0 m的情況下，砂漿進(jìn)一步脫落的可能性必然增大。

3)最大剪應(yīng)力由無空洞下的0.11 MPa逐漸增大為1.03-1.57 MPa，其隨著空洞寬度的增加逐漸變大，且增長幅度有逐漸減小的趨勢。同一寬度空洞下，深度尺寸越大，最大剪應(yīng)力也越大。

4砂漿脫落下砌石隧道安全性分析

4.1分析工況

根據(jù)對砌石隧道結(jié)構(gòu)的工程調(diào)研和檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砌石襯砌往往是拱圈大面積的出現(xiàn)砂漿脫落情況，病害寬度幾乎占據(jù)了整個(gè)拱圈，且病害區(qū)域基本成對稱分布。這里共選取6種工況，砂漿脫落深度為0，5，10，15，20和25 cm。如表4所示。

表4　砂漿脫落影響的計(jì)算工況

4.2襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

基于各工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，計(jì)算研究各檢算截面安全系數(shù)及砌石灰縫界面安全性。

4.2.1關(guān)鍵截面安全系數(shù)分析

對6種典型工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，各截面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5　各截面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

不同砂漿脫落尺寸下，拱部和拱腰截面安全系數(shù)變化如圖10所示。

圖10　不同程度砂漿脫落下拱部安全系數(shù)變化曲線Fig.10 Varying curve of safety coefficient of the arch under mortar fell of different level

根據(jù)圖10的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知：

1)砂漿脫落對拱圈3～5號截面安全系數(shù)影響相對最大；不同工況下拱頂截面安全系數(shù)變化量為14.95，拱腰截面安全系數(shù)變化量為9.51。當(dāng)砂漿脫落深度為0～15 cm時(shí)，拱頂拱腰各截面安全系數(shù)變化顯著，拱頂安全系數(shù)由15.46變?yōu)?.46，拱腰由9.81變?yōu)?.44，且隨著深度增加，拱頂安全系數(shù)降低幅度有增大趨勢；可見拱頂、拱腰截面在砂漿脫落深度為15 cm時(shí)，均表現(xiàn)為危險(xiǎn)截面。而拱腳、邊墻截面安全系數(shù)變化則不太明顯；

2)當(dāng)砂漿脫落深度由15 cm增至25 cm時(shí)，拱頂拱腰截面安全系數(shù)下降逐漸變得緩慢，拱頂安全系數(shù)由2.46變?yōu)?.51，拱腰則由2.44變?yōu)?.30；而拱腳卻截面安全系數(shù)下降相對變得明顯，其安全系數(shù)由7.57變?yōu)?.99。因此，對于砌石襯砌，阻止其砂漿的進(jìn)一步脫落能有效控制砌石隧道的結(jié)構(gòu)安全性。

4.2.2砌石灰縫界面力學(xué)分析

由上面數(shù)值分析結(jié)果可知，砂漿脫落的惡化會大大降低結(jié)構(gòu)的安全性，因此，需要衡量砂漿脫落的可能性。在這里提出襯砌內(nèi)側(cè)所受拉應(yīng)力以及截面剪應(yīng)力2個(gè)指標(biāo)。利用各個(gè)計(jì)算工況斷面所得的彎矩、軸力及剪力, 選取拱部不利截面, 計(jì)算條石之間水泥砂漿界面的拉剪應(yīng)力。條石灰縫截面為50 cm×50 cm, 其受力分析模型如圖5所示。

計(jì)算各工況下襯砌內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力和截面剪應(yīng)力結(jié)果如圖11和表6所示。

表6不同工況下截面拉剪應(yīng)力匯總

Table 6 Summary table of section tensile shear stress under different conditions

工況襯砌內(nèi)側(cè)邊緣處應(yīng)力/MPa拱圈最大剪應(yīng)力/MPa1-1-2.010.694-1-1.220.694-2-0.510.694-30.130.694-40.700.704-51.150.72

圖11　襯砌內(nèi)側(cè)邊緣處應(yīng)力變化曲線Fig.11 Varying curve of stress of the inside lining edge

由表6和圖11可以發(fā)現(xiàn)：

1)由于圍巖對襯砌的承載，灰縫界面剪應(yīng)力隨著砂漿脫落深度增大幾乎不變。在未出現(xiàn)砂漿脫落的情況下，拱部內(nèi)側(cè)所受應(yīng)力為壓應(yīng)力，但隨著砂漿脫落深度的增加，逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力；可以很明顯的發(fā)現(xiàn)邊緣應(yīng)力代數(shù)值與砂漿脫落深度成正相關(guān)，幾乎接近線性關(guān)系。

2)當(dāng)砂漿脫落深度達(dá)到15 cm時(shí)，受到的拉應(yīng)力為0.13 MPa，基本接近砌體灰縫界面破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為0.18 MPa；當(dāng)深度為20 cm和25 cm時(shí)，受到拉應(yīng)力則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?？梢姰?dāng)砂漿脫落深度大于15 cm時(shí)，砂漿脫落進(jìn)一步發(fā)展的可能性大大增大。

5結(jié)論

1)針對砌石隧道空洞病害，對不同部位、不同規(guī)?？斩催M(jìn)行了有限元建模分析，發(fā)現(xiàn)空洞對空洞所在區(qū)域襯砌截面的安全性危害最大，對其它部位影響相對較?。豢斩磳挾葘σr砌結(jié)構(gòu)安全性影響較空洞深度尺寸大得多，且寬度為2.0 m的空洞對襯砌結(jié)構(gòu)影響較1.5 m空洞大得多；襯砌空洞的出現(xiàn)會加速灰縫破壞。

2)針對砌石隧道，建立了不同程度砂漿脫落有限元模型，分析了砂漿脫落對砌石襯砌隧道結(jié)構(gòu)安全性影響以及灰縫截面的安全性。發(fā)現(xiàn)砂漿脫落大大的降低了襯砌各截面的安全性，且會導(dǎo)致襯砌拱部內(nèi)側(cè)受拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致砂漿的進(jìn)一步脫落；并提出了控制砂漿脫落深度小于5 cm能有效控制砂漿脫落現(xiàn)象的進(jìn)一步惡化的結(jié)論。

3)對于砌石襯砌隧道，砂漿脫落與空洞兩種典型病害并非獨(dú)立存在，空洞的出現(xiàn)往往會提高砂漿脫落的可能性；因此，對于砂漿脫落的治理措施應(yīng)該考慮到空洞的影響。

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(編輯蔣學(xué)東)

Safety research of masonry railway tunnel under typical diseaseWANG Wei1, DENG Jun1,YAO Yong2，YIN Juntao1

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

2.Chengdu Railway Administration, Chengdu 610081, China)

Abstract:Based on detection result of the masonry tunnels of Chuanqian line, two typical diseases, the tunnel lining cavity and masonry mortar fell, are identified. Finite element models corresponding to different diseases have been established in ANSYS to analyze the safety of lining under different cavity widths, depths and degrees of mortar fell. With the calculation for dangerous section and analyzing tensile shear of mortar joint section, the variation for tunnel lining safety of different diseases have been figured out. Finally, it is found that the influence of cavity dimension of 2 m is much higher than that of 1.5 m. in order to make sure a safety status of stone tunnel structures, it is suggested that the depth of mortar fell should be controlled within 5 cm.

Key words:masonry tunnel; cavity; mortar fell; safety research

中圖分類號：U457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0131-07

通訊作者：王薇(1969-)，女，湖南醴陵人，副教授，博士，從事隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析及長大隧道災(zāi)害防治研究； E-mail：wangweicsu@csu.edu.cn

基金項(xiàng)目：湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010GK3173)；成都鐵路局重點(diǎn)資助項(xiàng)目(X1314)

收稿日期：*2015-05-02