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1、铁路隧道复合衬砌脱空的危害分析与防治第32卷,第5期2011年9月中国铁道科学CHINARAIIWAYSCIENCEVo1.32No.5September,2011文章编号:lOOl一4632(2Ol1)05—0056—08铁路隧道复合衬砌脱空的危害分析与防治王立川.,周东伟,吴剑.,阳军生(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610082;3.中铁西南科学研究院有限公司,四川成都611731)摘要:铁路隧道复合衬砌脱空和支护厚度不足占隧道缺陷,病害的比例极高.以200km?h客货共线双线隧道为例,采用ANSYS有限元分析软件,按"共同变形"受力模型计
2、算分析脱空对结构承载能力的影响.初支脱空时,在不同级别围岩变形压力的作用下,初支拱顶部位向内侧压弯呈增大趋势,这是初支向内压裂(碎)乃至坍塌的主要原因之一;衬砌脱空时,导致衬砌拱顶部位向外侧或向其对应的空洞边缘外侧压弯呈增大趋势,造成衬砌向外压裂甚至可能引起脱空水平投影范围外沿侧纵向开裂.严重的脱空可能导致隧道结构在施I阶段或运营阶段发生压溃,侵限,放射状开裂和坍塌,而且初支脱空的危害性比衬砌脱空更大.通过分析脱的形态和成因,结合工程实践经验,从施工和施工管理角度提出了脱空防治的具体措施和建议.关键词:铁路隧道;复合衬砌;脱空;成因;危害;防治中图分类号:U457.2文献标识码:A铁路隧
3、道支护结构劣化主要由地质运动,设计不当,施工质量缺陷,建设管理体制不适应隧道工程特点等因素所致,其中的隧道支护结构施工质量主要取决于设计和施工方法,包括支护参数和工艺是否可行,可靠,是否存在复合衬砌脱空(围岩与初期支护,初期支护与衬砌之间不连续接触的统称,以下简称脱空),初期支护(以下简称初支)和衬砌的强度,厚度是否足够,衬砌配筋是否合规,衬砌是否在初支和围岩变形基本稳定后进行等.作者根据十几年涉足的数类,多座隧道及地下工程质量检测和病害整治咨询,设计和施工经历,发现脱空和支护厚度不足使衬砌产生开裂,漏水,压溃掉块等占隧道缺陷和病害的比例极高.本文着重从施工和施工管理角度对脱空的危害,成
4、因,预防和整治进行研究.1脱空的危害1.1脱空对支护结构的影响围岩,初支和衬砌之间依次较紧密接触是地下结构区别于地面结构的主要特征.但脱空改变了隧道支护结构的整体性及围岩与初支,初支与衬砌之间本应较紧密接触的受力状态.按传统设计理念,在将松散压力视作荷载时,沿结构连续分布的地层抗力对支护结构受力具有重要影响,因此在进行脱空情况下的松散压力计算时,应考虑一定冲击荷载的作用;按新奥法设计理念,复合衬砌尤其是初支与围岩共同变形,共同承载,因脱空带来的结构不连续接触状态会改变复合衬砌和围岩的约束变形状态,也会对结构受力产生重大影响.1.2脱空的发展和危害形式围岩与初支不连续接触即初支背后有空洞(
5、简称初支脱空),使其背后相应区域的围岩失去约束或前期无约束,自由变形使松弛区和塑性区几乎不受约束地扩大,积累,导致不连续接触边界附近的初支承受更大的荷载,增加破坏概率,当松弛围岩积累到阈域时则可能脱落,坍塌或作用于承担主要前期荷载的初支结构上,从而引起初支变形增大或破坏;初支与衬砌不连续接触(简称衬砌脱空),则使围岩一初支体系施加于衬砌的荷载不连续,同样引起衬砌类似的变形增大或破坏,只是由于结构的设计承载能力余量和初支的过度承载,延迟和减缓了危害发生的时间和程度;初支脱空和衬砌脱空的叠加则使隧道变形增大或破坏的时间提前,危害收稿日期:2011—06—29;修订日期:2011-07—05基
6、金项目:科学技术部科研院所技术开发研究专项资金资助项目(2010一Y068一KJ007一SD)作者简介:王立川(1965),河南盂州人,教授级高级工程师,博士研究生.第5期铁路隧道复合衬砌脱空的危害分析与防治程度增大.脱空危害的常见形式有:初支或(和)衬砌后支护系统崩溃导致隧道坍塌,松散荷载导致拱部支护碎裂和(或)十字型开裂,形变压力导致拱部沿型钢架环向或纵向开裂,压溃和掉块,支护变形侵限,以及衬砌开裂位置漏水等;如图1所示.图1脱空危害形式由于应对隧道工程自然化特征所采取的支护结构余量和经验类比的设计理念,地质(围岩)划分标准的台阶式和设计阶段判识的人为保守,支护结构的施工标准余量的客
7、观存在,并非所有的脱空都会引起上述缺陷,病害,但发生上述缺陷,病害多由脱空所致.从铁路行业关于脱空的规定[1中也可知:①衬砌脱空不易避免并要求回填密实是业界共识;②衬砌脱空的处置方法多为拱顶预留注浆孔适时进行注浆,也有主张调整混凝土流动性的;③除文献[5—6]有所提及外,关于初支脱空及其危害未获业界共识和足够的重视;④在避免衬砌脱空或回填衬砌脱空的时机,方法,浆材,关键工艺参数等方面几乎莫衷一是,也未明确注浆孔的处理措施.2脱空对结
