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1、鐵路隧道襯砌脫空對結構安全的影響分析,1 概述,2 脫空的數值模擬,3 脫空的原因,4 安全影響分析,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,5 結論,隨著鐵路建設的范圍越來越廣泛，鐵路隧道面臨的地質、設計、施工及結構安全問題較以往更具有特殊性和典型性。隧道襯砌結構是否可靠，主要由地質條件、設計參數、施工質量以及相應的建設管理等因素控制。由于鐵路隧道襯砌斷面考慮空氣動力學原因，隧道斷面較大，給隧道施工質量提出了更高的要求。按照新奧法的設計理念，隧道襯砌與圍巖緊密貼合，共同受力變形，設計計算中也考慮隧道襯砌背后的圍巖可以提供連續的徑向彈性抗力。,1 概述,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,1 概述,然而，由于2、施工質量問題，隧道襯砌與背后圍巖脫空，未密貼，圍巖未提供連續有效的彈性抗力，襯砌結構承載不均勻，產生不均勻地層反力，引起結構局部地方應力集中，嚴重影響結構安全儲備，危害結構安全，實際工程中造成結構開裂、掉塊，局部結構防排水措施失效等病害。本文結合某鐵路隧道的工程實例，以數值模擬為手段，分析不同脫空部位及脫空范圍對結構受力特征的影響，為鐵路隧道的結構安全提供技術基礎及方案處理對策。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.1 數值計算模型建立及參數取值,由于隧道背后脫空現象多發生于巖層條件較好的硬質巖中，以典型的灰巖隧道為例，隧道斷面深埋，圍巖為灰巖(D2q)：淺灰、灰色，中厚層狀3、，巖質硬脆，節理裂隙弱發育，地下水弱發育。斷面采用地層結構法進行了級圍巖隧道平面應變分析，III 級 A 型復合式襯砌斷面如圖 1 所示。計算模型橫向寬度 180 m，縱向高度 150 m，直角坐標系的坐標原點位于仰拱中心。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,假設圍巖材料均服從Mohr-Coulomb準則，四面體單元進行離散；隧道二襯采用彈性梁單元模擬，左側邊墻腳處的單元為1#，順時針編號，二襯共劃分了92個單元。在整體坐標系里，X軸平行于隧道斷面且與水平地面平行，Y軸垂直向上，Z軸沿隧道中線，靜力分析中X方向約束法向位移，底部邊界約束X、Y方向位移，共離散了2740個單元，2850個節點。數值計4、算各參數取值見表 1。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.1 數值計算模型建立及參數取值,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,圖1：III級A型復合式襯砌斷面示意圖,2.1 數值計算模型建立及參數取值,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,表1：模擬參數取值,2.1 數值計算模型建立及參數取值,2.2 靜力模擬工況,本次模擬共進行了10種工況的分析，考慮沿拱圈 0.5m范圍內混凝土與二襯脫離來進行模擬，共劃分了16個脫空單元，如圖2所示。模擬主要分為4種類型10個小項，分別為：二襯與圍巖緊密貼合無脫空、拱頂脫空、拱腰脫空和邊墻脫空，具體工況如表2所5、示。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,圖2：數值模擬16個脫空單元示意圖,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.2 靜力模擬工況,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,表2：數值模擬工況表,2.2 靜力模擬工況,2.3 計算結果,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,根據鐵路隧道設計規范(TB10003-2005)6的襯砌計算方法，混凝土矩形截面中心及偏心受壓構件的抗壓強度應按下式計算：,2.3 計算結果,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,從抗裂要求出發，混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度應按下式計算,式中 R1混凝土6、的抗拉極限強度；e0截面偏心距(m)，對混凝土矩形截面構件，當 e0 0.20 h 時，抗壓強度控制承載能力，按式(1)計算,2.3 計算結果,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,通過數值模擬計算，得到二襯軸向內力結果，按下式計算截面安全系數，評價脫空對二襯的影響。,2.3 計算結果,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,10 種數值模擬工況的襯砌軸力及彎矩圖如表 3 所示。不同脫空部位對應的各截面安全系數 K 分布圖如圖 3圖 5 所示。結果顯示，在 04 m 范圍內，脫空 4 m 時，對二襯結構內力及截面安全系數 K 影響最大。,2.3 計算結果,隧道襯砌脫空對結7、構安全的影響,2 脫空的數值模擬,表3：數值模擬各工況襯砌軸力及彎矩圖,無脫空 31#Kmax=47.75 1#Kmin=14.19,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,拱頂脫空 1 m25#Kmax=51.35 1#Kmin=14.20,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,拱頂脫空 2 m26#Kmax=53.64 1#Kmin=14.20,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,拱頂脫空 4m32#Kmax=58.60 35#Kmin=6.39,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,8、拱腰脫空 1 m30#Kmax=48.14 1#Kmin=14.19,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,拱腰脫空 2 m31#Kmax=47.93 1#Kmin=14.19,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,拱腰脫空 4 m29#Kmax=50.24 46#Kmin=1.78,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,邊墻脫空 1m30#Kmax=48.48 52#Kmin=14.13,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,邊墻脫空 2 m9、29#Kmax=48.56 53#Kmin=11.49,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,邊墻脫空 4 m29#Kmax=49.80 55#Kmin=1.29,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,續表3,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,圖3：不同拱部脫空寬度對應的各截面安全系數 K 分布圖,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,圖4：不同拱腰脫空寬度對應的各截面安全系數 K 分布圖,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,圖4：不同邊墻脫空寬度對應的各截面安10、全系數 K 分布圖,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,拱部脫空 4m時，襯砌截面安全系數 K 跳動很明顯，波動大于 10%的襯砌長度超過 8 m，24#和 34#單元(拱頂襯砌脫空與未脫空銜接處)K 值由 45 左右降低至 6.6，降幅達 85%，但襯砌截面具備一定的安全儲備，滿足規范要求，同時部分截面由于內力減小，安全系數 K 有一定幅度的升高。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,拱腰脫空 4 m 時，脫空處前后約 11 m 范圍內的二襯截面安全系數 K 值波動超過 10%，46#及 47#單元(拱腳處)K 值由 19 降低11、至 1.8，降幅幾近 91%，影響范圍向拱頂及邊墻兩個方向延伸，較相同的拱頂脫空寬度影響范圍增加。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,2 脫空的數值模擬,2.3 計算結果,邊墻脫空 4 m 時，41#66#單元約 13 m 范圍內二襯截面安全系數 K 值波動超過 10%，特別是 55#單元(邊墻脫空中部單元)K 值由 15.45 降低至 1.29，降幅為 91.65%，但影響范圍波及到的拱腰及仰拱部分單元截面 K 值有不同程度的提高。相同的脫空寬度，邊墻脫空引起截面 K 值波動范圍最大，最不利截面安全儲備降低最大，已經不滿足設計規范要求，局部結構被破壞。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原12、因,表4為西南山區高速鐵路某灰巖隧道無損檢測結果，結果顯示圍巖條件較差時脫空缺陷率較低，各級圍巖拱頂與拱腰脫空缺陷率明顯高于邊墻脫空缺陷率，結合現場檢測結果及隧道施工質量控制過程，隧道二襯與圍巖脫空的原因主要包括以下 4 個方面：洞室開挖成型效果、混凝土澆筑、襯砌模板臺車強度及防水板安裝。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.1 開挖成型效果,由表4可知，開挖過程中的二襯脫空主要出現在 II、III 級圍巖地段，脫空缺陷率較 IV、V 級圍巖明顯偏高，這段圍巖若光爆效果較差，開挖成型效果不好，且初支噴射混凝土與設計厚度不符，表面平整度差，常常造成二襯混凝土與圍巖不密貼，施工過程中13、的質量控制是初支表面平整度的決定性因素。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.1 開挖成型效果,對于 IV、V 級圍巖地段，小間隙脫空因圍巖變形逐漸與二襯外緣貼合，脫空率較低，但高速鐵路隧道斷面一般均設置格柵或型鋼鋼架，受鋼架架設因素影響，噴射混凝土在鋼架間的平整度相對無鋼架支護時可以較易控制，但如果鋼架間噴射混凝土不飽滿，或者局部超欠挖使得鋼架難以按設計位置安裝，則會造成相鄰鋼架起伏過大，進而導致初支不平整度過大。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.1 開挖成型效果,設置鋼架地段初支還存在一個不容忽視的情況，格柵鋼架一般高度 12 cm 或 16 cm，鋼筋間距14、較密，密集的鋼筋導致噴射混凝土難以按設計要求成型；另外噴射混凝土難以密貼型鋼鋼架翼緣板與圍巖間較小的縫隙，也會造成人為脫空，此類脫空隨機性較大，難以檢測及控制。此外，對于裂隙較發育巖體局部掉塊部位，若錨桿、鋼筋網未按設計施作或現場處理不當，掉塊空腔內混凝土未噴射封閉密實，同樣會造成二襯與圍巖脫空。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.1 開挖成型效果,表4：某隧道二次襯砌背后脫空情況統計,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.2 混凝土澆筑,數值模擬結果顯示，邊墻脫空對二襯的影響最大，是最不利工況，然而在實際施工中，邊墻大范圍脫空的情況很少見，主要原因在于混凝土在澆筑15、過程中是一種流動體，受重力影響，大面積澆筑時，邊墻的空腔最易充填密實，而拱頂及拱腰處最易出現二襯脫空的情況，主要由以下幾方面控制：,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.2 混凝土澆筑,(1)混凝土澆筑過程中未振搗密實，澆筑完成后混凝土受自重影響向邊墻處下沉，拱部壓力減小，造成拱部縱向脫空。同理，在反坡施工時，與上一個循環已施作完畢的襯砌間也容易出現自重影響下的增壓氣囊，造成二襯背后環向脫空。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.2 混凝土澆筑,(2)混凝土澆筑至拱部時，一般臨近本循環混凝土澆筑結束，剩余混凝土數量難以精確掌握，容易導致拱頂混凝土灌注量不足；另外灌注過16、程壓力變化，導致拱部局部地區泵送混凝土不到位，二襯脫空。灌注完畢后，襯砌背后二次注漿孔堵塞或襯砌背后注漿施作不到位，也會造成襯砌與圍巖的不密貼。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.2 混凝土澆筑,(3)泵送混凝土僅利用個別窗口澆筑時，易出現混凝土流動距離過長的情況，距灌注窗口較遠處，混凝土供應數量不足、輸送泵壓力不足或運行故障而易造成脫空。此外，當混凝土擴散度不足時，也可能無法擴散填充密實而造成脫空。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.3 模板臺車強度,襯砌模板臺車由于各種原因底部支撐不足，或未支撐牢固，澆筑混凝土時，臺車發生整體位移，不但造成二襯背后脫空，而且17、可能造成二襯侵限等嚴重質量問題。若襯砌臺車模板在混凝土達到拆模條件前或混凝土強度不足以承受其自重前發生下沉、變形則可能導致二襯背后脫空。混凝土澆筑時，模板臺車擋頭板封堵不嚴實，或在壓力作用下變形，與臨近模板脫開，造成漏漿，導致二襯背后脫空或不密實。此情況多出現于拱頂處。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,3 脫空的原因,3.4 防水板安裝,若防水板鋪設固定點數量不足，松弛過度，防水板余量過大，澆筑混凝土過程中由于混凝土的流動、振搗及沖擊，混凝土對防水板產生擠壓及錯動作用，使位于下部的防水板卷曲并層疊，形成大量褶皺，造成本循環內的縱向空腔，但此類脫空縱向面積較小，對結構影響也較小。,隧道襯砌脫空對結18、構安全的影響,3 脫空的原因,3.4 防水板安裝,若防水板鋪設松弛度不足或全環鋪設松緊不均，澆筑混凝土過程中松弛度的不足量逐步積累，拱頂防水板張緊，局部緊繃的防水板阻隔混凝土與初支的密貼，形成拱頂縱向連續型空腔，直接造成二襯背后脫空。此種情況還易造成拱頂防水板固定點脫離圍巖表面甚至防水板的撕裂。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,4 安全影響分析,(1)數值模擬結果中，脫空寬度為 1.0 m 時，隧道襯砌結構各截面內力變化范圍及幅度較小，截面安全系數 K 的分布與無脫空時基本一致；當脫空寬度為 2.0 m 或 4.0 m 時，脫空中部或脫空與未脫空銜接處截面內力變化較為明顯，結構局部應力集中，局部19、截面安全系數 K 值急劇下降，低于規范要求，襯砌無法保證鐵路安全運營要求。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,4 安全影響分析,(2)隧道襯砌脫空導致圍巖對襯砌的彈性作用不連續，圍巖對襯砌外緣的約束狀態變化，改變了理想狀態下襯砌的受力狀態。脫空處襯砌結構彎矩出現正負轉換，截面安全系數由受壓控制轉化為混凝土受拉控制，安全儲備急劇降低。由于脫空處可能存在內力減小的情況，脫空處向襯砌兩側延伸段落截面安全系數 K 會有所增長，同時也會造成相鄰截面安全系數變化過大并突變的情況。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,4 安全影響分析,(3)隧道襯砌背后脫空主要改變了隧道襯砌結構受力和變形狀態，隧道襯砌拱頂或拱腰處由20、于背后脫空引起的襯砌受拉開裂、掉塊、漏水等，對襯砌結構的安全性影響極大，同時漏水造成襯砌鋼筋銹蝕，降低結構耐久性，嚴重影響高速鐵路運營安全。此外，二次襯砌拱頂脫空以后，混凝土結構與圍巖的協同變形失效，開挖圍巖失去結構對其的支護作用，松弛變形增大，進而導致圍巖失穩、脫落破壞。襯砌背后脫空后無法保證結構的長期安全運營，因此二次襯砌背后脫空現象是必須加以預防和處理的，而拱部背后脫空的安全隱患更大。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,5 結論,本文基于地層荷載模型建立了鐵路隧道二次襯砌背后脫空的數值模擬模型，分析了二襯脫空對襯砌結構安全的影響范圍及程度，并結合某鐵路隧道無損檢測實例，討論二襯脫空的主要原因21、及其對結構安全的影響分析，并得出以下結論：(1)隧道二次襯砌背后脫空對隧道結構安全影響極大，且脫空范圍越大，影響范圍也越大。,隧道襯砌脫空對結構安全的影響,5 結論,(2)二襯脫空一般由施工引起，主要受洞室開挖成型效果、混凝土澆筑、模板臺車穩定性及防水板安裝質量等控制。由于混凝土澆筑過程中的流動性原因，二襯背后一般出現在拱頂或拱腰的環向增壓氣囊脫空；防水板安裝質量及混凝土澆筑過程會引起二襯縱向褶皺型脫空。(3)隧道結構一般整體穩定性滿足要求，但局部脫空引起結構內力變化，截面安全系數降低，結構截面安全儲備急劇降低，特別是拱部二襯脫空，不但直接影響結構安全，還可造成結構縱向開裂、掉塊等嚴重危害行車安全的情況。,