砌石铁路隧道典型病害下安全性研究

王薇1，邓俊1，姚勇2，尹俊涛1

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；

2.成都铁路局，四川 成都 610081)

摘要:基于川黔线砌石隧道的现场检测结果，针对砌石衬砌隧道空洞和砂浆脱落2种典型病害，利用ANSYS有限元分析软件，分别建立对应不同病害的有限元模型，展开对不同宽度、深度空洞以及不同深度砂浆脱落下衬砌结构安全性分析。通过对典型危险截面的结构安全系数验算以及灰缝截面的抗拉抗剪验算，找出不同规模病害下衬砌结构安全性的变化规律。研究发现宽度尺寸为2.0 m的空洞对衬砌结构影响较1.5 m空洞大得多，同时为保障砌石隧道结构安全，建议将砂浆脱落深度控制在5 cm以内。

关键词：砌石隧道；空洞；砂浆脱落；安全性研究

目前我国新建山岭隧道都采用混凝土材料的衬砌结构，但砌石衬砌数量在陈旧铁路隧道中仍然占着一定的比重，这些运营砌石衬砌作为铁路运营的一部分，其安全性往往是人们最为关注的。由于服役年限较久等原因，目前砌石隧道已经出现了不同程度病害，而这些病害严重影响到了砌石隧道的结构安全性。因此，研究不同规模典型病害对砌石隧道衬砌结构的安全性影响，这对陈旧铁路隧道的病害整治和安全运营具有十分重要的意义。不少学者对病害下隧道结构的安全性进行了研究。王春景等[1]基于结构-荷载法隧道计算理论，建立了隧道衬砌背后空洞病害结构有限元计算模型研究空洞存在对隧道结构的安全性影响，研究结果表明空洞存在可以改变隧道整体刚度和受力状态，降低整体承载能力。李彬等[2]针对常见的隧道混凝土材料劣化、衬砌厚度不足及背后脱空3类病害,基于荷载-结构平面分析模型,通过设置不同病害程度等级,分析运营公路隧道病害对衬砌结构的安全性影响规律。靳学峰[3]研究在隧道拱顶、拱腰位置处呈三角形、矩形及梯形等形状的空洞对隧道整体结构的影响，并得出了不同方向空洞尺寸对结构安全性系数影响程度由大到小依次为：径向、高度、宽度方向的结论。陈俊涛[4]研究隧道横断面上呈台梯形、矩形及三角形等不同形状的空洞，针对每一种空洞形状分别建立空洞在不同临空高度、不同宽度宽度、不同隧道纵轴线方向长度的仿真模型，分析得到了在不同工况下，隧道围岩体的位移应力变化规律及空洞下方初期支护的拉压应力变化规律。彭跃等[5]对隧道衬砌背后空洞这种病害采用有限元法进行数值模拟分析，重点研究了不同部位的空洞以及不同规模的空洞对隧道衬砌结构安全系数的影响。晏启祥等[6]根据砌石隧道病害检测结果, 开展了不同空洞组合、不同围岩特性、特定位置不同外水压力、不同衬砌厚度等条件下衬砌的内力有限元分析，最后对病害下的结构安全性进行了评估。王立川等[7]采用数值分析法,建立地层-结构模型计算分析了脱空对衬砌结构安全性的影响。Huvaz等[8]对隧道衬砌背后空洞的注浆加固进行了研究分析，研究了衬砌背后空洞在注浆前、注浆后对隧道衬砌结构的安全性影响。Meguid等[9]通过数值分析方法,对比分析了不同尺寸大小空洞下拱腰处及仰供处空洞对衬砌安全性影响。SHI[10]简化了衬砌和围岩的复杂作用关系,通过弹性有限元分析了衬砌裂缝对隧道结构的安全性影响。刘永华[11]采用ANSYS数值模拟分析软件,对隧道拱顶处存在空洞或裂缝时二次衬砌结构的受力状态进行模拟分析，通过模拟分析得知,拱顶处的这两种病害形式将显著改变结构的受力状态,增大二次衬砌结构受拉破坏的可能性,不利于衬砌结构继续承担荷载。许文锋[12]以某隧道为例, 利用ANSYS有限元软件,采用荷载-结构模型,对衬砌开裂的安全性进行分析,并提出相应的治理措施。刘学增等[13]通过实验与理论计算分析了裂缝位置和裂缝深度对衬砌结构安全性的影响，研究表明隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低，裂缝深度为衬砌厚度的 50%时，安全系数则降低 78%；相同裂缝深度情况下，裂缝在拱顶时最不利，裂缝在拱腰、边墙以及拱脚时对结构安全系数影响较小。张义红[14]运用有限元数值分析法，分析了隧道不同位置存在同样深度的裂缝以及在隧道拱顶位置存在不同深裂缝对隧道衬砌结构安全性的影响。目前对病害下隧道结构的安全性进行的大多数都是针对混凝土隧道，以砌石隧道为对象的病害下安全性研究相对较少。

本文以新场隧道为工程依托，根据现场检测结果确定出的砌石隧道典型病害，借助ANSYS有限元模拟软件，分析不同规模尺寸典型病害下衬砌结构的安全性，并提出相应的砌石隧道病害整治建议。

1工程概况

新场隧道建于1965年，为川黔线上单线隧道，隧道全长1 037.2 m，中心里程K188+594，目前已服役运营48 a；新场隧道具有这一时期修建隧道的典型特征，除进出口采用混凝土衬砌外，其他区段均采用砌石衬砌。

通过对新场隧道调研和检测，采用地质雷达检测[15]及直尺量测, 发现隧道衬砌背后脱空严重，衬砌与围岩局部脱空或大范围脱空, 且空洞存在着不同宽度、不同深度尺寸，这些空洞的存在必然大大降低了砌石衬砌的整体性，对隧道结构安全性影响巨大。新场隧道的砌石腐蚀和砂浆脱落现象也非常严重，且砌石边缘部位腐蚀与砂浆脱落相互促进，隧道病害段灰缝的平均宽度为4 cm，有的达到15 cm的宽度；灰缝的深度平均为5 cm，严重部位深度达到17 cm。衬砌背后空洞和砂浆脱落必然会对降低隧道结构的安全性，甚至影响到铁路隧道的安全运营。本文以新场隧道为对象，针对衬砌背后空洞以及砂浆脱落两种典型病害对隧道结构安全性影响进行详细的模拟与分析。

2计算模型及参数

根据隧道设计资料及试验结果，Ⅳ级围岩占据该隧道总长度的80% ，故选取Ⅳ级围岩为代表并在考虑条石衬砌砌缝效应的基础上进行有限元计算，拟定的数值分析参数如表1所示。为考虑隧道出现病害后衬砌结构与围岩之间作用的变化，采用地层应力模型模拟衬砌和围岩的相互作用。计算模型宽度为46.1 m，高度为68.15 m，隧道纵向取10 m计算长度，衬砌厚度为0.5 m，模型网格划分后生成54 640个单元，59 031个节点，上边界取地表为自由边界，下边界为固定，左右边界水平位移(X轴方向位移)为0，前后边界z轴方向位移为0。有限元计算模型及检算截面如图1和2所示。

表1　围岩与结构力学参数

图1　有限元计算模型Fig.1 Model of finite element calculation

图2　检算截面分布图Fig.2 Distribution diagram of checking section

3空洞下砌石隧道安全性分析

3.1分析工况

为充分分析不同规模衬砌背后空洞对衬砌结构的安全性影响[16]，结合现场检测结果，共选取3种不同空洞深度，深度分别为0.5，1.0和1.5 m， 5种空洞宽度，长度分别为0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m。并选取拱顶和拱腰两个不同部位进行有限元分析。共包含31种工况，如表2和表3所示。

表2　拱顶背后空洞计算工况

表3　拱腰背后空洞计算工况

3.2衬砌结构安全性分析

根据《铁路隧道设计规范》(TB10003)[17]规定：条形石衬砌截面按破坏阶段进行强度检算, 即根据材料的极限强度, 计算出偏心受压构件的极限承载力, 然后与结构实际内力进行比较, 即可得截面的抗压( 抗拉) 强度安全系数K。最后检查所得的安全系数是否满足《铁路隧道设计规范》 所要求的数值。

基于各工况轴力弯矩的计算结果，计算出上述 31种工况各截面安全系数，为研究不同空洞规模对衬砌结构安全性的影响，分别分析衬砌结构各截面安全系数和砌石灰缝界面安全性随着空洞部位、空洞宽度以及空洞深度尺寸变化规律。

3.2.1不同规模空洞尺寸下，衬砌危险截面安全系数分析

拱顶不同规模空洞尺寸下，拱部截面安全系数变化规律和拱腰不同规模空洞尺寸下，空洞侧拱腰截面安全系数变化规律分别如图3和4所示。

图3　不同空洞宽度下拱顶安全系数变化曲线Fig.3 Varying curve of safety coefficient of the vault under different width of cavity

图4　不同空洞宽度下拱腰安全系数变化曲线Fig.4 Varying curve of safety coefficient of the arch waist under different width of cavity

对以上的数值模拟计算结果分析可知：

1)空洞对空洞所在区域衬砌截面的安全性危害最大，对其它部位影响相对较小。随着拱顶空洞宽度的增加，拱部的安全系数下降非常明显，其它部位安全系数变化不大。尤其是当拱顶空洞的宽度由1.5 m变为2.0 m时，拱顶的安全系数下降最为明显，可见空洞宽度2.0 m对衬砌结构安全性的影响要比1.5 m时大的多，更值得关注。

2)由图3和4可以很明显的发现，当空洞深度一定，随着空洞宽度的增加，拱部安全系数降低显著；当空度宽度一定时，随着空洞深度的增加，拱部安全系数降低缓慢。由此可以发现，相对空洞深度来说空洞宽度对拱顶安全系数的影响要大得多。

3.2.2砌石灰缝界面力学分析

利用各个计算工况断面所得的弯矩、 轴力及剪力, 选取不利截面, 计算条石之间水泥砂浆界面的拉剪应力。条石灰缝截面为50 cm×50 cm, 其受力分析模型如图5所示。

(1)

(2)

图5　模型验算示意图Fig.5 Schematic diagram of model checking

式中: W 为弯曲截面系数，N受拉为正，受压为负。通过计算最终得到结果如图6~9所示。

图6　拱顶不同空洞宽度下拱部最大拉应力变化曲线Fig.6 Model of finite element calculation

图7　拱顶不同空洞宽度下拱部最大剪应力变化曲线Fig.7 Varying curve of maximum shear stress under different width of cavity of the arch

图8　拱腰不同空洞宽度下拱部最大拉应力变化曲线Fig.8 Varying curve of maximum tensile stress under different width of cavity of the arch waist

图9　拱腰不同空洞宽度下拱部最大剪应力变化曲线Fig.9 Varying curve of maximum shear stress under different width of cavity of the arch waist

由图6～图9可以发现：

1)拱部最大拉应力和最大剪应力代数值都随着空洞宽度增加出现很明显的增大，随着空洞深度尺寸的增加则变化不明显。

2)衬砌内侧边缘应力由无空洞下的2.98 MPa压应力逐渐向拉应力转变，空洞宽度1.5～2.0 m大致处于边缘应力的临界空洞宽度。且边缘应力增长幅度有逐渐增大的趋势；空洞宽度超过2.0 m时，其边缘拉应力处于正值状态，已超过灰缝界面破坏时的抗拉强度标准值为0.18 MPa，可知空洞宽度大于2.0 m的情况下，砂浆进一步脱落的可能性必然增大。

3)最大剪应力由无空洞下的0.11 MPa逐渐增大为1.03-1.57 MPa，其随着空洞宽度的增加逐渐变大，且增长幅度有逐渐减小的趋势。同一宽度空洞下，深度尺寸越大，最大剪应力也越大。

4砂浆脱落下砌石隧道安全性分析

4.1分析工况

根据对砌石隧道结构的工程调研和检测结果发现，砌石衬砌往往是拱圈大面积的出现砂浆脱落情况，病害宽度几乎占据了整个拱圈，且病害区域基本成对称分布。这里共选取6种工况，砂浆脱落深度为0，5，10，15，20和25 cm。如表4所示。

表4　砂浆脱落影响的计算工况

4.2衬砌结构安全性分析

基于各工况应力计算结果，计算研究各检算截面安全系数及砌石灰缝界面安全性。

4.2.1关键截面安全系数分析

对6种典型工况的计算结果进行汇总，各截面安全系数计算结果如表5所示。

表5　各截面安全系数计算结果

不同砂浆脱落尺寸下，拱部和拱腰截面安全系数变化如图10所示。

图10　不同程度砂浆脱落下拱部安全系数变化曲线Fig.10 Varying curve of safety coefficient of the arch under mortar fell of different level

根据图10的数值模拟计算结果可知：

1)砂浆脱落对拱圈3～5号截面安全系数影响相对最大；不同工况下拱顶截面安全系数变化量为14.95，拱腰截面安全系数变化量为9.51。当砂浆脱落深度为0～15 cm时，拱顶拱腰各截面安全系数变化显著，拱顶安全系数由15.46变为2.46，拱腰由9.81变为2.44，且随着深度增加，拱顶安全系数降低幅度有增大趋势；可见拱顶、拱腰截面在砂浆脱落深度为15 cm时，均表现为危险截面。而拱脚、边墙截面安全系数变化则不太明显；

2)当砂浆脱落深度由15 cm增至25 cm时，拱顶拱腰截面安全系数下降逐渐变得缓慢，拱顶安全系数由2.46变为0.51，拱腰则由2.44变为0.30；而拱脚却截面安全系数下降相对变得明显，其安全系数由7.57变为3.99。因此，对于砌石衬砌，阻止其砂浆的进一步脱落能有效控制砌石隧道的结构安全性。

4.2.2砌石灰缝界面力学分析

由上面数值分析结果可知，砂浆脱落的恶化会大大降低结构的安全性，因此，需要衡量砂浆脱落的可能性。在这里提出衬砌内侧所受拉应力以及截面剪应力2个指标。利用各个计算工况断面所得的弯矩、轴力及剪力, 选取拱部不利截面, 计算条石之间水泥砂浆界面的拉剪应力。条石灰缝截面为50 cm×50 cm, 其受力分析模型如图5所示。

计算各工况下衬砌内侧拉应力和截面剪应力结果如图11和表6所示。

表6不同工况下截面拉剪应力汇总

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

工况衬砌内侧边缘处应力/MPa拱圈最大剪应力/MPa1-1-2.010.694-1-1.220.694-2-0.510.694-30.130.694-40.700.704-51.150.72

图11　衬砌内侧边缘处应力变化曲线Fig.11 Varying curve of stress of the inside lining edge

由表6和图11可以发现：

1)由于围岩对衬砌的承载，灰缝界面剪应力随着砂浆脱落深度增大几乎不变。在未出现砂浆脱落的情况下，拱部内侧所受应力为压应力，但随着砂浆脱落深度的增加，逐渐变为拉应力；可以很明显的发现边缘应力代数值与砂浆脱落深度成正相关，几乎接近线性关系。

2)当砂浆脱落深度达到15 cm时，受到的拉应力为0.13 MPa，基本接近砌体灰缝界面破坏时的抗拉强度标准值为0.18 MPa；当深度为20 cm和25 cm时，受到拉应力则远远超过抗拉强度标准值。可见当砂浆脱落深度大于15 cm时，砂浆脱落进一步发展的可能性大大增大。

5结论

1)针对砌石隧道空洞病害，对不同部位、不同规模空洞进行了有限元建模分析，发现空洞对空洞所在区域衬砌截面的安全性危害最大，对其它部位影响相对较小；空洞宽度对衬砌结构安全性影响较空洞深度尺寸大得多，且宽度为2.0 m的空洞对衬砌结构影响较1.5 m空洞大得多；衬砌空洞的出现会加速灰缝破坏。

2)针对砌石隧道，建立了不同程度砂浆脱落有限元模型，分析了砂浆脱落对砌石衬砌隧道结构安全性影响以及灰缝截面的安全性。发现砂浆脱落大大的降低了衬砌各截面的安全性，且会导致衬砌拱部内侧受拉应力，从而导致砂浆的进一步脱落；并提出了控制砂浆脱落深度小于5 cm能有效控制砂浆脱落现象的进一步恶化的结论。

3)对于砌石衬砌隧道，砂浆脱落与空洞两种典型病害并非独立存在，空洞的出现往往会提高砂浆脱落的可能性；因此，对于砂浆脱落的治理措施应该考虑到空洞的影响。

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(编辑蒋学东)

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

中图分类号：U457

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0131-07

通讯作者：王薇(1969-)，女，湖南醴陵人，副教授，博士，从事隧道结构计算与分析及长大隧道灾害防治研究； E-mail：wangweicsu@csu.edu.cn

基金项目：湖南省科技计划资助项目(2010GK3173)；成都铁路局重点资助项目(X1314)

收稿日期：*2015-05-02