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铁路隧道衬砌脱空对结构安全的影响分析,铁路隧道衬砌脱空对结构安全的影响分析,1 概述,2 脱空的数值模拟,3 脱空的原因,4 安全影响分析,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,5,结论,1 概述2 脱空的数值模拟3 脱空的原因4 安全影,随着铁路建设的范围越来越广泛，铁路隧道面临的地质、设计、施工及结构安全问题较以往更具有特殊性和典型性。隧道衬砌结构是否可靠，主要由地质条件、设计参数、施工质量以及相应的建设管理等因素控制。由于铁路隧道衬砌断面考虑空气动力学原因，隧道断面较大，给隧道施工质量提出了更高的要求。按照新奥法的设计理念，隧道衬砌与围岩紧密贴合，共同受力变形，设计计算中也考虑隧道衬砌背后的围岩可以提供连续的径向弹性抗力。,1 概述,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,随着铁路建设的范围越来越广泛，铁路隧道面临的地质、设计、施工,1 概述,然而，由于施工质量问题，隧道衬砌与背后围岩脱空，未密贴，围岩未提供连续有效的弹性抗力，衬砌结构承载不均匀，产生不均匀地层反力，引起结构局部地方应力集中，严重影响结构安全储备，危害结构安全，实际工程中造成结构开裂、掉块，局部结构防排水措施失效等病害。本文结合,某,铁路隧道的工程实例，以数值模拟为手段，分析不同脱空部位及脱空范围对结构受力特征的影响，为铁路隧道的结构安全提供技术基础及方案处理对策。,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,1 概述然而，由于施工质量问题，隧道衬砌与背后围岩脱空，未,2,脱空的数值模拟,2.1,数值计算模型建立及参数取值,由于隧道背后脱空现象多发生于岩层条件较好的硬质岩中，以典型的灰岩隧道为例，隧道断面深埋，围岩为灰岩(D2q)：浅灰、灰色，中厚层状，岩质硬脆，节理裂隙弱发育，地下水弱发育。断面采用地层结构法进行了级围岩隧道平面应变分析，III 级 A 型复合式衬砌断面如图 1 所示。计算模型横向宽度 180 m，纵向高度 150 m，直角坐标系的坐标原点位于仰拱中心。,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2 脱空的数值模拟2.1 数值计算模型建立及参数取值由于,假设围岩材料均服从Mohr-Coulomb准则，四面体单元进行离散,；,隧道二衬采用弹性梁单元模拟，左侧边墙脚处的单元为1#，顺时针编号，二衬共划分了92个单元。,在整体坐标系里，X轴平行于隧道断面且与水平地面平行，Y轴垂直向上，Z轴沿隧道中线，静力分析中X方向约束法向位移，底部边界约束X、Y方向位移，共离散了2740个单元，2850个节点。数值计算各参数取值见表 1。,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.1,数值计算模型建立及参数取值,假设围岩材料均服从Mohr-Coulomb准则，四面体单元进,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,图,1,：III级A型复合式衬砌断面示意图,2.1,数值计算模型建立及参数取值,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟图1：I,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,表,1,：模拟参数取值,2.1,数值计算模型建立及参数取值,项目名称,E,/MPa,天然容重,(kN/m,3,),内聚力,c,(kPa),内摩擦角,(),围岩,3700,0.28,25,1100,44,二衬,30000,0.22,25,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟表1：,2.2,静力模拟工况,本次模拟共进行了10种工况的分析，考虑沿拱圈 0.5m范围内混凝土与二衬脱离来进行模拟，共划分了16个脱空单元，如图2所示。模拟主要分为4种类型10个小项，分别为：二衬与围岩紧密贴合无脱空、拱顶脱空、拱腰脱空和边墙脱空，具体工况如表2所示。,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.2 静力模拟工况本次模拟共进行了10种工况的分析，考虑,图,2,：数值模拟16个脱空单元示意图,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.2,静力模拟工况,图2：数值模拟16个脱空单元示意图 隧道衬砌脱空对结构安全,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,表,2,：数值模拟工况表,2.2,静力模拟工况,项目名称,模拟内容,无脱空,二衬与围岩紧密贴合,拱顶脱空,1 m,单元,1,与二衬分离,2 m,单元,1,、单元,2,与二衬分离,4 m,单元,1,单元,4,与二衬分离,拱腰脱空,1 m,单元,9,与二衬分离,2 m,单元,9,、单元,10,与二衬分离,4 m,单元,9,单元,12,与二衬分离,边墙脱空,1 m,单元,13,与二衬分离,2 m,单元,13,、单元,14,与二衬分离,4 m,单元,13,单元,16,与二衬分离,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟表2：,2.3,计算结果,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,KN aR,a,bh,(1),式中,R,a,混凝土或砌体的抗压极限强度；,K,安全系数；,N,轴向力；,b,截面宽度；,h,截面厚度；,构件的纵向弯曲系数；对于隧道衬砌取,=1.0,；,a,轴向力的偏心影响系数。,根据铁路隧道设计规范(TB10003-2005)6的衬砌计算方法，混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：,2.3 计算结果 隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空,2.3,计算结果,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按下式计算：,式中 R1混凝土的抗拉极限强度；,e,0,截面偏心距(m)，对混凝土矩形截面构件，当 e0 0.20 h 时，抗压强度控制承载能力，按式(1)计算。,2.3 计算结果 隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空,2.3,计算结果,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,通过数值模拟计算，得到二衬轴向内力结果，按下式计算截面安全系数，评价脱空对二衬的影响。,K=,aR,a,bh,(,抗压控制,),(3),N,K=,1.75R,1,bh,(,抗压控制,),(4),N(6e,0,/h-1),2.3 计算结果 隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空,2.3,计算结果,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,10 种数值模拟工况的衬砌轴力及弯矩图如表 3 所示。不同脱空部位对应的各截面安全系数 K 分布图如图 3图 5 所示。,结果显示，在 04 m 范围内，脱空 4 m 时，对二衬结构内力及截面安全系数 K 影响最大。,2.3 计算结果 隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空,2.3,计算结果,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,表,3,：数值模拟各工况衬砌轴力及弯矩图,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,无脱空,31#,K,max=47.75 1#,K,min=14.19,2.3 计算结果 隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,拱顶脱空 1 m,25#Kmax=51.35 1#Kmin=14.20,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,拱顶脱空 2 m,26#Kmax=53.64 1#Kmin=14.20,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,拱顶脱空,4,m,32#Kmax=58.60 35#Kmin=6.39,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,拱腰脱空 1 m,30#Kmax=48.14 1#Kmin=14.19,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,拱腰脱空 2 m,31#Kmax=47.93 1#Kmin=14.19,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,拱腰脱空 4 m,29#Kmax=50.24 46#Kmin=1.78,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,边墙脱空 1m,30#Kmax=48.48 52#Kmin=14.13,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,边墙脱空 2 m,29#Kmax=48.56 53#Kmin=11.49,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,模拟工况名称,衬砌轴力图,衬砌弯矩图,边墙脱空 4 m,29#Kmax=49.80 55#Kmin=1.29,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,续表,3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响模拟工况名称衬砌轴力图衬砌弯,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,图,3,：不同拱部脱空宽度对应的各截面安全系数 K 分布图,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟2.3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,图,4,：不同拱腰脱空宽度对应的各截面安全系数 K 分布图,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟2.3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,图,4,：不同边墙脱空宽度对应的各截面安全系数 K 分布图,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟2.3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,拱部脱空 4m时，衬砌截面安全系数 K 跳动很明显，波动大于 10%的衬砌长度超过 8 m，24#和 34#单元(拱顶衬砌脱空与未脱空衔接处)K 值由 45 左右降低至 6.6，降幅达 85%，但衬砌截面具备一定的安全储备，满足规范要求，同时部分截面由于内力减小，安全系数 K 有一定幅度的升高。,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟2.3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,拱腰脱空 4 m 时，脱空处前后约 11 m 范围内的二衬截面安全系数 K 值波动超过 10%，46#及 47#单元(拱脚处)K 值由 19 降低至 1.8，降幅几近 91%，影响范围向拱顶及边墙两个方向延伸，较相同的拱顶脱空宽度影响范围增加。,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟2.3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,2,脱空的数值模拟,2.3,计算结果,边墙脱空 4 m 时，41#66#单元约 13 m 范围内二衬截面安全系数 K 值波动超过 10%，特别是 55#单元(边墙脱空中部单元)K 值由 15.45 降低至 1.29，降幅为 91.65%，但影响范围波及到的拱腰及仰拱部分单元截面 K 值有不同程度的提高。相同的脱空宽度，边墙脱空引起截面 K 值波动范围最大，最不利截面安全储备降低最大，已经不满足设计规范要求，局部结构被破坏。,隧道衬砌脱空对结构安全的影响2 脱空的数值模拟2.3,隧道衬砌脱空对结构安全的影响,3,脱空的原因,表4为西南山区高速铁路某灰岩隧道无损检测结果，结果显示围岩条件较差时脱空缺陷率较低，各级围岩拱顶与拱腰脱空缺陷率明显高于边墙脱空缺陷率，结合现场检测结果及隧道施工质量控制过程，隧道二衬与围岩脱空的原因主要包括以下 4 个方面
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