病害隧道结构安全性评价模型与方法

第 8卷

第 3期

铁道科学与工程学报J URNAL O F RAl\『 O /AY L\ SCI ENCE AND ENGI NEERI NG

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21 0 1年 6月

病害隧道结构安全性评价模型与方法王春景雷明锋彭立敏，,

(. 1中铁十二局集团第七工程有限公司，南长沙 400;.湖 1042中南大学土木工程学院，湖南长沙 407 ) 105摘要：基于结构一荷载法隧道计算理论，分别建立了隧道衬砌结构厚度不足、材料劣化及背后空洞 3种病害结构计算模

型，并进行了工程实例分析，阐述了病害隧道结构安全性评价的具体方法。研究结果表明：隧道结构病害的存在，变了其改整体刚度和受力状态，降低了整体承载能力。所建立的病害结构安全性评价模型能够综合考虑隧道常见病害对结构的影响，弥补了目前实践中经验法的不足，具有一定的学术和实用价值。 关键词：隧道结构；害模型；病计算方法；安全性评价中图分类号：4 7 2 U 5 .文献标志码： A文章编号：6 2— 09 2 1 ) 2— 0 3— 5 17 7 2 (0 1 0 0 7 0

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S f t v la in mo e n t o f u n l ie s t rt r a e y e au t d l d me h d o n e s a e s u c u e o a t d WA G C u -n。L I n— n P N i n N h nj g,E gf g, E G L. i Mi e mi

( . h t E gn eigC . L d fC ia R i a 2 h B ra ru,C a gh 1 0 4, h n; 1 T e h n ier o, t .o hn a w y1 t u e u G o p h n s a4 0 0 C ia 7 n l

2 Sho f i l n ier g C nrl ot nvrt, hnsa4 0 7 C i ) .c ol v gnei,e t uhU i s yC agh 10 5, hn oC iE n aS ei a

Absr c Ba e o sr cur— la ac lto t e r t a t: sd n tu t e o d c l u ai n h o y,t e h c n s fce c d l ma e a e rdain h t i k e s de i n y mo e, i tr l d g a to i mo e n a i hi

i i g mo e ft n lln n tu t e we e e t b ih d,as n e gn e n a e wa d la d c vt be nd ln n d lo u ne i i g sr cur r sa ls e y lo a n i e r g c s s i su id a d a l z d, nd t e c n r t t o fs f t a c l t n o u ne tucu e wa e c b d t d e n nay e a h o c e emeh d o ae y c lu a i ft n lsr t r s d s r e .Th e u t o i e r s ls s o t t het n ldie s sc a g siswh l tfn s n o c tt h w ha,t u ne s a e h n e t o e sif e sa d fr e sae,a d d c e s d isb a n a a iy;t e n e r a e t e r g c p ct i h s ey e auain mo e ih e tb lh d i h a rc n i e st e i a to u n lc mmo ie s g i s o f a t v l to d lwh c sa is e n t e p pe o sd r h mp c ft n e o n d s a e a a n tt sr cu e c mp e e sv l t t r o r h n iey,S h s d sa d t i t o ke u h ifce c fe i c lme h d b w u O t e e mo e n h s me h d ma p t e d fii n y o mp r a t o y no i a d h v e ti c e c a d p a tc lv l e. n a e a c ra n a d mi n r c ia au Ke y wor s:t n lsr c u e;d s a e mo l a c ain meh d;s f t v l ai n d un e t t r u ie s de;c lulto t o aey e a u to

赋存环境复杂、荷载特征不明、设计计算理论存在不足、管理不完善等因素导致隧道结构在建成运营后的较短时间便出现各种程度不同的病害。 而隧道病害的存在直接影响了隧道的使用性能，甚至造成行车安全等事故，得其未达到设计基准期使而急需维修，浪费了大量的社会资源，既又造成了极坏的社会影响。因此，展病

害隧道结构的安全开

自上世纪 6~ 0 0 7年代开始，国内外广大科技工作者便开始关注隧道结构病害问题，开展了相关并研究。如钟志雄等根据某具体隧道的检测、量测结果，有限元模型，建立计算分析了其结构安全性并推荐了相应的加固方案。王勇利用工程断裂判据，分析了带裂缝衬砌截面的安全性。刘庭金等 ]分别建立了衬砌背后空洞的有限元计算模型，讨探

性评价模型与方法研究，科学评价隧道结构的健康状态，及时采取有效的整治措施，可以获得巨大的社会经济效益，高公众的满意度。提

了衬砌背后空洞存在对衬砌结构承载能力的影响规律。刘永华利用荷载一结构模型和实际隧道统计

参数，详细探讨了衬砌拱顶存在空洞，衬砌厚度不

收稿日期：0 1一 4一l 21 o 4

基金项目：铁道部科技研究开发计划重大课题( 09 0 5 E 2 0 G 2一 )湖南省研究生创新基金项目( X 00 0 4 20 G 0一； 8 0 5 C; 0 C 21B9 )作者简介：王春景 (9 6一)男， 16,湖南汉寿人，工程师，硕士，事土木工程施工与管理方面的工作从

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铁道科学与工程学报

足，时的结构可靠性。可见，裂缝针对隧道病害时衬砌结构的安全性问题，国内外学者已进行了较多有益探讨，多数研究成果对带病害隧道结构计算模但型的力学机理、建模方法、评估程序缺乏详细系统的

律，且本文目的在于研究材料劣化对结构承载特征

和结构安全系数的影响，为了简便，可以利用简单的强度弱化方法模拟混凝土劣化后的力学性质。也就是，在实际的病害隧道结构承载和安全性计算时，材料劣化病害计算模型的材料弹性模量 E和抗拉强度、

说明，总体看来仍需要进一步完善。为此，笔者根据既有的隧道结构设计理论，基于荷载一结构计算模式，立了衬砌厚度不足、建衬砌背后脱空及材料劣化 3种病害结构模型，给出并了工程实例，阐述了其具体应用方法。

抗压强度按照实际病害检测结果选取即可。 施工过程中，制爆破效果不理想，欠挖严控超

13衬砌背后空洞力学模型 .

重，回填不实，营过程中地下水的长期冲刷等因运素均造成衬砌背后不同程度地出现空洞。空涧的存在使

得衬砌结构受力不均，产生应力集中现象， 从而过早地出现裂缝等病害，大地恶化隧道的运极营环境和使用功能。描述隧道衬砌背后空洞的特征参数主要包括

1基于荷载一结构法的隧道病害结 构计算模型1 1衬砌厚度不足力学模型 .

1

衬砌厚度不足是隧道常见的病害，接造成结直

空洞形状、深度、度等，宽而对于结构一荷载法，仪仅能模拟其二维特性，即衬砌空洞宽度对结构受力的影响。同时，衬砌结构与围岩的相互作用是通过仅受压弹性链杆来模拟。据此，可建立空洞病害条

构承载能力降低，引起安全事故。力学计算中可简单将模型中梁单元的厚度按照实际衬砌结构的厚度进行计算，图 1图中日和 h分别为衬砌结构如，设计厚度和实际检测厚度。1一

件下，隧道衬砌结构的计算模型，即去掉：宽度空洞范围内的围岩压力荷载和弹性链杆支撑，图 2如。

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图 1衬砌结构厚度不足模型 Fi . d lo n n hc n s ei in y g 1 Mo e f i ig t i k e s d f e c l c

1 2材料劣化力学模型 .大量实践和检测结果表明，成隧道结构材料造

劣化的主要原因有：隧道建设过程中，按相关①未标准规范进行施工，工质量控制不严，成后隧施建

图 2衬砌背后空洞计算图式Fi . lulto c ma o a i e i d l n g 2 Cac ai n s he fc vt b h n i g y ni

道衬砌结构}凝土质量低劣，以满足设计要求；昆难

②隧道运营过程中，受荷载、冰冻、腐蚀性地下水等不利因素的长期作用，致混凝土材料性能劣化。导

2衬砌结构安全性验算方法目对于隧道衬砌结构安全『前，生验算，仍主要是依据隧道设计规范进行，即素混凝土截面强度验算公式。本文亦参照该方法进行评估，具体方法不冉赘述。