浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2025, 59(4): 698-705 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.04.005

土木与建筑工程

含空洞-减薄病害的超大跨隧道服役安全研究

麻建飞,, 贾港帅, 江波, 陈征, 凌小康, 贺少辉,

1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044

2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081

3. 重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044

4. 中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610

Study on service safety of super-large-span tunnels considering combined defects of lining voids and thinning

MA Jianfei,, JIA Gangshuai, JIANG Bo, CHEN Zheng, LING Xiaokang, HE Shaohui,

1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China

2. Infrastructure Inspection Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China

3. School of Resources and Safety Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

4. China Water Resources Pearl River Planning, Surveying & Designing Limited Company, Guangzhou 510610, China

通讯作者: 贺少辉，男，教授，博士. orcid.org/0000-0001-8431-6851. E-mail：heshaohui1114@163.com

收稿日期: 2024-03-26  

基金资助: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2024YJS043）；国家自然科学基金资助项目（12374443）；国铁集团科研开发计划课题（2017G003-H）.

Received: 2024-03-26  

Fund supported: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2024YJS043）；国家自然科学基金资助项目（12374443）；国铁集团科研开发计划课题（2017G003-H）.

作者简介 About authors

麻建飞（1997—），男，博士生，从事隧道与地下工程研究.orcid.org/0000-0003-2569-1656.E-mail：majfncut@163.com , E-mail：majfncut@163.com

摘要

统计19座高铁隧道衬砌病害的分布规律，修正含空洞隧道围岩压力计算方法，数值仿真分析组合病害对服役期超大跨铁路隧道内力和安全性的影响. 结果表明：空洞-减薄组合病害占统计病害的39.3%，是铁路隧道出现频率最高的病害类型；组合病害在拱顶处的出现频率最高，为0.78. 将空洞影响区域下降段的围岩压力替换为幂函数分布，推导出比现有线性分布方法更符合实际情况的含空洞隧道围岩压力计算方法. 组合病害导致超大跨隧道衬砌结构内力和安全系数在病害作用区和影响区剧烈变化，安全系数最大降低61.68%. 组合病害和衬砌劣化显著影响超大跨隧道服役安全性，服役时间越长，对结构安全性的影响越显著. 以素混凝土最小安全系数为2.0、2.4、2.8和钢筋混凝土最小安全系数为1.70、2.04、2.38为界限，建立超大跨铁路隧道含组合病害的衬砌安全评价分级和管理标准.

关键词： 隧道工程 ; 衬砌病害 ; 荷载结构法 ; 组合病害 ; 数值模拟

Abstract

The distribution law of lining defects in 19 high-speed railway tunnels was statistically analyzed, and the calculation method of surrounding rock pressure in tunnels with lining voids was modified. A numerical simulation was employed to analyze the combined defects’ impact on the internal forces and safety of super-large-span railway tunnels during their service period. Results show that combined defects of voids and thinning account for 39.3% of the statistical defects, making them the most frequent type in railway tunnels. The highest occurrence of combined defects is at the tunnel vault compared with other lining parts, with a frequency of 0.78. The surrounding rock pressure in the descending section of the void-affected region was replaced with a power function distribution, and a calculation method for the surrounding rock pressure in tunnels with voids was derived, which better reflects reality compared to the existing linear distribution. Combined defects cause significant variations in the internal forces and safety factors of super-large-span tunnel lining structures in both the defect-affected and influence zones, with the safety factor decreasing by up to 61.68%. Combined defects and lining degradation significantly impact the service safety of super-large-span tunnels, and the longer the service life, the more pronounced the effect on structural safety. Based on the minimum safety factors of 2.0, 2.4, and 2.8 for plain concrete, and 1.70, 2.04, and 2.38 for reinforced concrete, a safety evaluation and management standard for the linings of super-large-span railway tunnels with combined defects has been established.

Keywords： tunnel engineering ; lining defects ; load structure method ; combined defects ; numerical simulation

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本文引用格式

麻建飞, 贾港帅, 江波, 陈征, 凌小康, 贺少辉. 含空洞-减薄病害的超大跨隧道服役安全研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2025, 59(4): 698-705 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.04.005

MA Jianfei, JIA Gangshuai, JIANG Bo, CHEN Zheng, LING Xiaokang, HE Shaohui. Study on service safety of super-large-span tunnels considering combined defects of lining voids and thinning. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2025, 59(4): 698-705 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.04.005

截至2023年底，中国已建成高铁隧道4 561 座、总长超过7 735 km，在建1 534 座、长约3 617 km，规划2 171 座、长约4 975 km[1]. 部分早期建成隧道因机械化程度不足、施工质量不佳，出现了空洞、裂缝、厚度不足、不密实等病害[2-4]. 研究衬砌病害对隧道服役安全性的影响，对保证高铁隧道的安全稳定有重要意义.

隧道衬砌结构的内部病害[5]，如衬砌背后空洞、衬砌减薄和不密实等，受到众多学者的关注. 在病害检测与统计方面，张顶立等[6]基于100余座铁路隧道的结构检测数据，分析衬砌背后接触状态与支护形式、围岩级别、断面位置等因素的关联. 张素磊等[7]统计160多座公路隧道衬砌空洞分布规律，通过数值模拟研究空洞对于结构安全的影响. Ye等[2]统计90座公路隧道衬砌病害，将公路隧道病害划分为7类，指出人类活动是导致公路隧道病害的主要原因. Huang等[8]研究地铁隧道不同类型衬砌的病害指标、统计特征、概率模型和指标相关性. 针对衬砌病害的检测与统计研究主要集中在单一病害，既有检测资料表明，衬砌病害常以组合形式出现[9]，高铁隧道衬砌组合病害相关的研究罕有见刊. 在衬砌病害作用机理方面，黄锋等[10]借助模型试验分析单空洞、多组空洞下衬砌结构的轴力、弯矩和围岩压力变化规律. 王述红等[11]开展含空洞隧道模型试验，探讨空洞位置对于隧道破坏形式和破坏顺序的影响. Yasuda等[12]推导存在背后空洞的深埋圆形隧道在地震波倾斜入射时的三维弹性响应解. Xin等[13]通过振动台试验，分析二次衬砌脱空对于隧道地震动力响应的影响. 郑艾辰等[14]基于模型试验和数值模拟，研究空洞数量、位置和尺寸对于衬砌安全性的影响. 赵平等[15]利用Abaqus软件构建数值模型，研究厚度不足对衬砌安全和裂缝演化的影响. 张旭等[16]通过模型试验，分析衬砌厚度不足时结构的围岩压力、衬砌内力和衬砌裂损规律. 以上研究均针对普速单线或双线隧道，由于车道并线、车道拓宽，公路和铁路出现了部分超大断面、超大跨度隧道，甚至四线超大跨高铁隧道[17-18]. 超大跨隧道因施工步骤繁琐、衬砌浇筑量大、浇筑难度高等特点，衬砌减薄和空洞病害将不可避免. 针对衬砌组合病害影响超大跨隧道力学状态和安全性问题的研究有待进一步深入. 在衬砌病害评估与处置方面，杨艳青等[19]采用模糊数学理论，提出铁路隧道衬砌安全性评价方法. 朱桂富等[20]针对单线直墙式隧道，建立基于缺陷长度和有效厚度比的衬砌减薄病害评价标准. 郭新新等[21]提出以振速为指标的含裂缝、空洞病害的隧道爆破振动安全控制标准. 吴军武等[22]考虑围岩坍塌产生的冲击荷载，以纵向连续测线长度为指标，对铁路隧道空洞评定标准进行优化. 王勇[23]借助层次分析法和可变模糊理论，构建铁路隧道状态综合评定5级分级标准. 现有的含病害衬砌状态评估方法主要集中于单一病害、常规断面隧道. 如何评估组合病害对超大跨隧道衬砌力学状态和安全性的影响，构建相应的含病害衬砌安全分级标准，是高铁工程中亟待解决的问题.

本研究基于19座高速铁路隧道的衬砌内部状态检测数据，统计隧道组合病害的分布规律，修正含空洞隧道围岩压力计算方法；通过数值仿真方式分析衬砌空洞-减薄组合病害对服役期超大跨隧道内力和安全性的影响；建立超大跨隧道服役期含空洞-减薄组合病害的衬砌安全评价分级和管理标准.

1. 铁路隧道病害统计

1.1. 病害检测方法

对19座高速铁路隧道素混凝土区段衬砌的内部状态进行无损检测，检测项目包括衬砌背后空洞、回填不密实、衬砌厚度不足（以下简称衬砌减薄）. 如图1所示为隧道衬砌病害检测测线，图中数字为测线编号.

图 1

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图 1   衬砌病害检测测线

Fig.1   Line for lining disease detection


1.2. 空洞-衬砌减薄组合病害分布规律

空洞病害数据主要包括所在病害里程Lc、位置P、病害距离衬砌表面的最小距离d、病害长度L. 假设衬砌设计厚度为h，若d≥h，说明该病害仅为空洞病害；若d＜h，说明空洞导致衬砌发生减薄病害，本研究将此种状态下的病害定义为空洞-减薄组合病害，如图2所示.

图 2

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图 2   空洞-减薄组合病害

Fig.2   Combined defects of lining voids and thinning


在被测的19座隧道的素混凝土区段中，衬砌不同病害占比、各测线组合病害数量qc占衬砌病害总数qa的比例（qc/qa）、各测线空洞-减薄组合病害参数P的频率fP和参数d的频率fd如图3所示. 由图可知，在被检测的19座隧道中，空洞、不密实、衬砌减薄占比分别为29.8%、28.4%、2.5%，衬砌空洞-减薄组合病害占比为39.3%，是铁路隧道中出现频率最高的病害类型. 除拱顶测线（测线4）外，其余测线处组合病害占比都高于60%. 原因是测线4（拱顶）的qa远超其他测线，虽然该处的qc大于其余测线，但qc/qa相对较低. 测线4处组合病害出现频率最高，fP=0.78. 被测隧道的衬砌设计厚度为0.40~0.45 m，空洞与衬砌表面的最小距离d<0.4 m的部分占比78.2%，表明被测区段衬砌发生了较为严重的空洞-减薄组合病害.

图 3

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图 3   空洞-减薄组合病害分布图

Fig.3   Distribution of combined defects of lining voids and thinning


2. 空洞区围岩压力计算

背后空洞导致空洞附近衬砌出现应力集中现象. 当含空洞隧道采用荷载-结构法计算时，必须考虑空洞影响区域的围岩压力集中效应[24]. 应国刚等[25]认为，含空洞隧道的空洞影响区围岩压力呈三角形分布，殷洪波等[9]提出该处围岩压力可用梯形分布代替，如图4所示. 图中，r为隧道半径，q为无空洞作用时围岩压力，qmax为有空洞作用时围岩压力最大值，a为空洞影响范围与隧道半径的比值，$ ar $为空洞影响范围，e为升高段影响范围与空洞影响范围的比值，$ aer $为升高段影响范围. 假设空洞为扇形体，当某马蹄形隧道含拱顶空洞时，下降段围岩压力如图5所示. 图中，σvo为下降段衬砌承担的围岩应力，Dvo为与空洞轴线的距离，S_u_v表示空洞S的切向角度为u，径向厚度为v. 将下降段视作直线会高估该段的围岩压力，为此假设下降段为幂函数分布，构建考虑空洞围岩压力修正模型（以三角形分布为例），如图6所示. 梯形阴影部分的面积为

图 4

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图 4   现有荷载计算模型

Fig.4   Existing load calculation models


图 5

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图 5   下降段围岩压力分布

Fig.5   Surrounding rock pressure distribution of descending section


图 6

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图 6   围岩压力修正模型

Fig.6   Correction model for surrounding rock pressure


$ {S_1} = \frac{1}{2}q\left[ {(aer - b)+2r} \right]. $
(1)

左侧阴影部分面积为

$ {S_2} = \frac{1}{2}({q_{\max }} - q)b+\int_{r+aer}^{r+ar} {q(x){\text{d}}x - q(ar - aer)} . $
(2)

由面积等效得到

$ {S_1} = {S_2}, $
(3)

$ {q_{\max }} = q(2ar+2r - aer) - 2g. $
(4)

其中

$ g = \int_{r(ae+1)}^{r(a+1)} {q(x){\text{d}}x} . $
(5)

式中：q(x)为与空洞径向尺寸和环向尺寸相关的参数. 假设

$ q(x) = c{x^d}. $
(6)

式中：c、d均为待定参数，由模型试验或仿真模拟得到. 空洞影响系数：

$ k = 2ar+2r - aer - {{2g}}/{q}. $
(7)

式中：a、e由文献[9]得到，a=3，e=1/3.

3. 超大跨隧道组合病害作用模型

3.1. 数值模型构建

某隧道为洞宽26.3~27.0 m浅埋四线超大跨高铁隧道，覆土厚度6~57 m. 隧道上覆岩体主要为Ⅲ级、Ⅳ级凝灰岩. 如图7所示，以拱顶处发生组合病害为例，建立四线超大跨隧道衬砌服役期组合病害的荷载-结构模型. 参照该大跨度隧道支护设计方案，以衬砌为C35混凝土、围岩为Ⅳ级围岩的断面为例进行分析，钢筋、钢拱架和注浆采用刚度等效法进行参数换算. 考虑到依托隧道为超大跨度，共设置18个测点. 假设空洞和衬砌减薄病害区域均为扇形体，其参数由位置Pi、切向弧长Hi、径向减薄Ji共同确定. 以组合病害参数Pi为拱顶、Ji=0.5hc、Hi=2.8 m、隧道结构服役时间t=0为例，图7（c）中，hc为正常段衬砌厚度. 衬砌选用Mohr-Coulomb本构，使用CPE4R单元进行模拟；空洞采用Model Change算法进行模拟. 衬砌边界布置沿隧道径向、只受压的土弹簧，用以模拟围岩与衬砌的相互作用. 非空洞区围岩压力由文献[26]得到，空洞区围岩压力由式(1)~(7)得到.

图 7

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图 7   组合病害模型示意图

Fig.7   Schematic diagram of combined defects model


3.2. 超大跨隧道服役时间影响

在隧道服役过程中，围岩和衬砌结构的劣化过程受隧道所处区域、建设年代、施工方法、区域气候的显著影响，相关统计研究较少. 参照文献[27]，采用时变指标表征衬砌的劣化过程：

$ {E_l}(t) = E_l^0[1 - {D_e}t)]{e^{ - \beta t}}, $
(8)

$ {\sigma _l}(t) = \sigma _l^0[1 - {D_e}t)]{e^{ - \beta t}}. $
(9)

式中：El(t)为衬砌结构随着服役时间变化的弹性模量，$ E_l^0$为衬砌结构的初始弹性模量，De、β分别为支护结构损伤与劣化系数，$ {{\sigma }_{l}}(t)$为衬砌时变强度，$ {{\sigma }_{l}^0}$为衬砌初始强度.

3.3. 计算工况和参数

设置组合病害位置为拱顶、拱腰、墙腰，Ji=hc、0.75hc、0.5hc和0.25hc；Hi以扇形夹角为7.5°、15°、22.5°和30°换算得到，若病害位于拱顶，则Hi=1.4、2.8、4.2和5.6 m；t=0、40、80和120 a. 组合病害选取空洞-减薄，考虑组合病害对超大跨隧道服役期安全性影响，计算模型的工况如表1所示. 围岩和衬砌力学参数如表2所示，其中E为弹性模量，γ为重度，ν为泊松比，c为黏聚力，$\varphi _{\mathrm{i}} $为内摩擦角. 地基反力系数为125 MPa/m，埋深取为20 m.

表 1   数值模型工况

Tab.1  Calculation conditions of numerical model

工况分类病害
1-1无病害—
2-1单一病害空洞
2-2单一病害减薄
3-1组合病害空洞-减薄

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表 2   衬砌、围岩的力学参数

Tab.2  Mechanical parameters of lining and surrounding rock

材料E/GPaγ/（kN·m−3）νc/kPa$\varphi _{\mathrm{i}} $/（°）
衬砌32.50025.00.2——
凝灰岩0.72922.00.3137216.9

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4. 服役期衬砌组合病害作用

4.1. 结构受力分析

浅埋超大跨隧道遭受组合病害时衬砌结构的轴力如图8所示（以隧道组合病害位置为拱顶，Ji=0.5hc，Hi=2.8 m，t=0为例）. 图中，N为轴力. 由图分析可知：1）与无病害衬砌相比，该超大跨隧道衬砌拱顶发生空洞病害时，拱顶到墙腰的轴力明显减小，其中拱顶、拱肩、拱腰、墙腰处分别减小7.25%、10.92%、11.55%、9.55%，仰拱处减小2.91%. 2）与无病害相比，超大跨隧道的衬砌减薄导致拱顶、拱肩、拱腰的轴力分别增加了1.83%、1.44%、0.92%；墙腰到仰拱的轴力略有减小，墙腰和仰拱的轴力分别减少0.20%和1.13%. 3）与无病害相比，超大跨隧道衬砌拱顶发生减薄-空洞组合病害时，拱顶到墙腰的轴力明显减小，其中拱顶、拱肩、拱腰、墙腰处分别减小7.76%、11.52%、12.15%、10.02%；仰拱处的轴力有轻微减小，减少了2.96%. 4）无病害相比，衬砌发生空洞、减薄和减薄-空洞组合病害时，轴力变化从大到小依次为组合病害、空洞病害、减薄病害. 组合病害导致作用区及附近轴力发生显著变化，远离作用区域的轴力变化相对较小.

图 8

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图 8   衬砌结构轴力

Fig.8   Axial force of lining structures


超大跨隧道遭受组合病害时衬砌结构的弯矩如图9所示（以隧道组合病害位置为拱顶，Ji=0.5hc，Hi=2.8 m，t=0为例）. 图中，M为弯矩. 由图分析可知：1）与无病害衬砌相比，超大跨隧道拱顶发生空洞病害时，空洞区处的弯矩方向发生改变，由2 061.4 kN·m变为−253.2 kN·m；拱肩处的弯矩从1 155.7 kN·m增至1 478.8 kN·m，增加了27.95%；墙腰的弯矩由−4 984.4 kN·m减至−4 078 kN·m，减少了18.18%；仰拱中右（左）的弯矩由3 734.3 kN·m减少至2 951.5 kN·m，减小了20.96%. 2）与无病害相比，超大跨隧道拱顶发生衬砌减薄病害时，拱顶、拱肩处的弯矩明显减小，分别减小了53.92%和73.72%；拱腰处弯矩由−1 194.6 kN·m增大为−1 730.1 kN·m，增大了44.28%；仰拱的弯矩变化不大，增大了20.9 kN·m. 3）与无病害相比，超大跨隧道衬砌拱顶发生减薄-空洞组合病害时，拱顶处的弯矩方向发生改变，由2 061.4 kN·m变为−206.6 kN·m；拱肩弯矩由1 155.7 kN·m增至1 582.1 kN·m，增大了36.89%；墙腰弯矩由−4 984.4 kN·m减至−4 043.1 kN·m，减少了18.88%；仰拱中右（左）的弯矩由3 734.3 kN·m减至2 897.4 kN·m，减少了22.41%. 4）当空洞区和衬砌薄弱区重叠时（工况3-1），拱顶处未直接与围岩接触，工况2-1和工况3-1的弯矩差别不大. 空洞区的存在会导致拱顶弯矩改变方向，衬砌减薄病害因卸载作用导致衬砌弯矩大幅减小.

图 9

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图 9   衬砌结构弯矩

Fig.9   Bending moment of lining structures


4.2. 衬砌安全状态分析

以文献[26]的安全系数表征隧道衬砌结构的安全性，安全系数计算式为

$ KN \leqslant \varphi \alpha {R_{\text{a}}}bh， $
(10)

$ KN \leqslant \varphi \frac{{1.75{R_{\text{l}}}bh}}{{6{e_0}/h - 1}}. $
(11)

式中：b为衬砌截面宽度，h为衬砌的截面厚度，$ {R_{\text{a}}} $、$ {R_{\text{l}}} $分别为混凝土抗压和抗拉极限强度，K为安全系数，φ为衬砌纵向弯曲系数，α为轴向力偏心影响系数，e0为截面偏心距. 超大跨隧道在组合病害作用下隧道的安全系数如图10所示（以隧道组合病害位置为拱顶，Ji=0.5hc，Hi=2.8 m、t=0为例）. 由图分析可知：1）与无病害相比，空洞病害导致隧道拱顶、拱腰、仰拱右（左）处的安全系数分别增加了212.25%、44.38%、6.18%；拱肩、拱脚、仰拱中右（左）处的安全系数分别减小了20.11%、45.76%、62.27%. 2）与无病害相比，衬砌减薄病害导致拱顶、拱腰的安全系数分别降低38.75%、27.59%，拱肩的安全系数提高了28.27%. 3）组合病害会使得拱顶、拱腰和仰拱右（左）处的安全系数分别增加了53.66%、45.72%和5.43%；拱肩、拱脚和仰拱中右（左）处的安全系数分别减少了28.09%、46.81%和61.68%. 4）与结构内力变化规律相似，组合病害显著影响作用区及其附近结构的安全系数对远离作用区结构的影响较小.

图 10

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图 10   衬砌结构安全系数

Fig.10   Safety factor of lining structures


4.3. 服役期组合病害影响

以结构安全系数为例，分析衬砌服役时间对含组合病害的超大跨隧道结构安全性的影响，结果如图11所示（以隧道组合病害位置为拱顶，Ji=0.5hc，Hi=2.8 m为例）. 由图可知，随着服役期时间的增加，结构的安全系数降低. 以拱肩处为例，在无病害情况下，当隧道服役时间为60和120 a时，衬砌安全系数分别下降了14.5%和27.4%；在组合病害情况下，衬砌安全系数分别下降了16.1%和29.9%. 对比发现，当隧道服役时间为60和120 a时，组合病害情况的安全系数变化率比正常情况增加1.6个百分点和2.5个百分点. 这说明超大跨隧道在服役期内，组合病害和衬砌劣化共同作用时会加剧结构的破坏，且随着服役时间的增加，组合病害对结构安全性的影响程度越大.

图 11

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图 11   服役期衬砌结构的安全系数

Fig.11   Lining structural safety factor during service life


5. 影响结构安全的组合病害控制参数

5.1. 位置参数

当超大跨隧道空洞-减薄组合病害处于拱顶、拱腰、墙腰时，衬砌结构的安全系数如图12所示（以隧道组合病害Ji=0.5hc，Hi=2.8 m，t=0为例）. 由图可知，相对于无病害工况，当组合病害位置在拱顶、拱腰、墙腰处时，病害作用位置及其附近影响区域的衬砌结构的安全系数发生明显变化，且病害位置不同，安全系数作用规律有明显差异.

图 12

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图 12   不同病害位置的衬砌安全系数

Fig.12   Lining safety factors at different defect locations


5.2. 弧度参数

当超大跨隧道发生空洞-减薄组合病害时，结构安全系数随组合病害作用弧度的变化如图13所示（以隧道组合病害位置为拱顶，Ji=0.5hc，t=0为例）. 由图可知，当Hi=1.4、2.8、4.2和5.6 m时，空洞作用区域和影响区域的安全系数逐渐降低，远离空洞作用区域衬砌安全系数逐渐增加. 随着空洞弧度的增加，空洞区衬砌结构受力逐渐降低，此时空洞区围岩压力由两侧围岩承担. 本研究假设围岩为连续状态，在实际工程中，空洞范围的增大可能会导致围岩垮塌，对衬砌结构可能产生冲击荷载，进而增加结构的风险性.

图 13

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图 13   不同病害弧度的衬砌安全系数

Fig.13   Lining safety factors at different defect curvatures


5.3. 减薄参数

超大跨隧道遭受空洞-减薄组合病害时，结构安全系数随着减薄参数的变化如图14所示（以隧道组合病害位置为拱顶，Hi=2.8 m，t=0为例）. 由图可知，随着Ji的减小，组合病害作用区域及其附近的衬砌结构安全系数逐渐减小，结构安全性降低. 相反，在组合病害作用区以外的区域，超大跨隧道衬砌结构的安全系数基本无变化.

图 14

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图 14   不同病害减薄参数的衬砌安全系数

Fig.14   Lining safety factors at different defect thinning parameters


6. 含组合病害衬砌状态评价标准

6.1. 现有衬砌状态评价标准

现有规范和标准均依托单一病害结果，结合隧道外部条件（如水文地质）给出病害评价结果[23]. 《铁路桥隧建筑物劣化评定 第2部分：隧道》给出了衬砌不密实、减薄、空洞的定量化评价标准，分别采用厚度减薄比、不密实测线长度和空洞测线长度进行病害状态评价. 当前针对铁路隧道衬砌病害的评价标准（方法）存在以下不足：1）未考虑衬砌2种或2种以上病害组合作用时的定量化评价；2）以单线铁路或双线铁路为基准，在如超大跨隧道的非常规尺寸隧道中应用效果不佳；3）未考虑衬砌结构设计参数（如衬砌形式、衬砌厚度、断面尺寸等）对含病害衬砌安全状态的影响.

6.2. 考虑组合病害的超大跨隧道衬砌状态评估

考虑到空洞控制参数、隧道断面形式、围岩条件和服役年限等因素对超大跨隧道安全状态有显著影响，基于现有隧道规范的安全系数，以超大跨隧道减薄-空洞病害为例，构建病害组合作用下衬砌状态评价流程，如图15所示. 收集超大跨隧道的地质勘察、设计、施工、运营维护等方面的资料. 利用敲击声检测、现场勘察、地质雷达等无损检测等手段，收集衬砌病害资料，统计超大跨隧道病害分布规律. 基于统计得到的病害分布规律，构建反映空洞-减薄组合病害状态的数值模型，研究组合病害对衬砌结构安全的影响，进行组合病害控制参数的反演分析. 参照文献[28]构建的衬砌状态评价体系，以素混凝土最小安全系数为2.0、2.4、2.8，钢筋混凝土最小安全系数为1.70、2.04、2.38为界限，构建组合病害衬砌安全评价分级标准和管理标准，如表3所示. 通过数值模拟得到不同控制参数下含组合病害衬砌的安全状态，结合表3对组合病害控制参数进行评估和分级. 依托划分的病害控制参数，评估受到组合病害影响的隧道安全状态，并采取相应的控制措施.

图 15

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图 15   衬砌安全状态评价流程

Fig.15   Lining safety state evaluation progress


表 3   安全状态评价管理标准

Tab.3  Management standards for safety state evaluation

等级素混凝土安全系数钢筋混凝土衬砌安全系数管理标准
Ⅰ＜2.0＜1.70采取措施
Ⅱ2.0~2.41.70~2.04加强检测
Ⅲ2.4~2.82.04~2.38加密检测
Ⅳ＞2.8＞2.38常规检测

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7. 结　语

本研究将空洞影响区域下降段由线性分布替换为幂函数分布，相比将下降段假设为线性分布的现有方法，提出的修正围岩压力计算方法更符合空洞作用的实际情况. 空洞-减薄组合病害导致超大跨隧道衬砌内力和安全系数在病害作用区及影响区发生剧烈变化. 服役时间越长，组合病害和衬砌劣化对结构安全性的影响越显著. 以素混凝土最小安全系数为2.0、2.4、2.8和钢筋混凝土最小安全系数为1.70、2.04、2.38为界限，建立适用于超大跨隧道服役期的含空洞-减薄组合病害的衬砌安全评价分级标准和管理标准. 本研究仅对含空洞-减薄组合病害的超大跨隧道结构状态进行了评价，未来计划综合考虑结构内部病害、表观病害、结构劣化等因素，开展更加全面、更精细的超大跨隧道衬砌状态评估工作.

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