铁路运营隧道衬砌背后接触状态及其分析
张顶立,张素磊,房倩,陈峰宾
(北京交通大学,北京100044)中图分类号:文献标识码:A文章编号:1000–6915(201)02–0217–08
STUDYOFCONTACTSTATEBEHINDTUNNELLININGINPROCESSOFRAILWAYOPERATIONANDITSANALYSIS
ZHANGDingli,ZHANGSulei,FANGQian,CHENFengbin
(KeyLaboratoryforUrbanUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)
Abstract:Therearethreetypesofcontactstatesbetweentheprimaryliningsandthesecondaryliningortherailwaytunnels.Thosearetightcontactstate,loosecontactstateandvoids.Boththeloosecontactstateandthevoidsbehindtheliningscanberegardedaspoorcontact,whicharedeemedastypicaltunnelqualitydefects.Theresearchresultsshowthatthepoorcontactstateshegreatinfluenceontunnelstructuresafety.GenerallawofcontactstatesbehindrailwaytunnelliningsinChinaisobtainedaccordingtotheliningnondestructivetestdataofmorethan100railwaytunnels.Theresearchresultsshowthat:(1)Poorcontactstatesbehindliningsaremoreincidentalandseriousinsingleshellliningthaninthepositeliningunderthesameconditions.(2)Theoccurrenceproportionandseverityofpoorcontactconditionsbehindliningsheacloserelationshipwiththesurroundingrockclassification,andtheyaremoredisadvantageousinthepoorersurroundingrock.(3)Theoccurrenceproportionandseverityofpoorcontactstatesbehindliningsareaffectedbythepositionsofthepoorcontactstatesaroundthetunnelcross-section.Thenegativeeffectsofthecontactstatesdecreasefromthetunnelcrownstotunnelfeet.(4)Theappearanceofthevoidsisaffectedbytunneldesignprinciple,constructionqualitycontrol,operationalmaintenanceefficiency,etcundesiredphenomenon.Theresultsobtainedinthisstudycanprovideusefulreferenceforstudyingthecontactstatesbetweentheprimaryliningsandthesecondarylinings.Itwillalsobehelpfultostudythedevelopmentofthedefectsinthetunnelstructuresystem.
Keywords:tunnellingengineering,railwayoperationtunnel,contactstatesbehindtunnellinings,loosecontact,voids,nondestructivetest
1引言
据不完全统计,截止到2016年底,我国已经建成的铁路隧道总长度已经超过7000km,在建铁路隧道总长度已超过7500km,正在设计和规划建设的隧道总长度超过10000km[1-2],我国已经成为名副其实的隧道大国[3].然而,由于受设计,施工,运营管理等诸多环节中不利因素的影响,铁路隧道在投入运营后出现了不同程度的病害现象,如衬砌变形及裂损,结构渗漏水,道床损坏等,严重威胁着隧道内的行车安全,缩短了隧道的维护周期和使用寿命,形成了安全隐患和财产损失.在导致隧道病害的诸多因素中,隧道衬砌背后接触状态不良是隧道结构病害的主要成因之一[4].目前,国内外隧道工程界的专家学者们也逐渐意识到隧道衬砌背后接触不良给衬砌结构安全性所带来的危害,纷纷采用理论分析,数值计算和室内相似模型试验等手段进行了相关研究,并获取了一些有价值的结论,如吴江滨[5]基于平面复变函数法推导了含衬砌背后空洞时围岩三次应力与衬砌内力计算公式,M.A.Meguid等[6-8]利用数值计算方法对隧道衬砌背后空洞的安全性影响进行了研究,何川等[9-10]利用室内模型试验对衬砌背后空洞存在时,衬砌结构的变形规律,承载特性和病害形成模式进行了研究.隧道衬砌背后接触状况不良是典型的隧道工程质量缺陷,其形成的原因非常复杂,但其对隧道结构安全性的影响是至关重要的,然而,对我国铁路运营隧道衬砌背后接触状态一直缺乏系统的调查和研究.笔者在铁道部重点项目"铁路运营隧道病害综合整治技术研究及安全性评价"的支持下,完成了100余座铁路运营隧道衬砌无损检测工作和评估工作,获取了大量的隧道衬砌背后接触状态现场检测数据.本文拟对这些检测数据进行系统分析,以期形成对我国铁路运营隧道衬砌背后接触状态的基本认识,进而作为隧道衬砌结构病害机制和安全性控制研究的基础.
2隧道衬砌背后接触状态的分类
一般来说,隧道衬砌背后接触状态可分为衬砌背后接触密实,接触松散和衬砌背后空洞3种情况.
按照的条件施工方法及规范的衬砌工艺,隧道建成以后衬砌如果衬砌背后空洞过大,隧道在投入运营以后,空洞附近的围岩可能在车辆荷载,地下水等影响下出现松动,造成围岩的失稳,严重时可能导致运营隧道出现塌方,国外曾有过因隧道衬砌背后存在较大的空洞而造成的塌方事故的报道地质雷达法是一种基于电磁反射原理的无损检测方法.在测试时,将地质雷达的发射和接收天线密贴于表面,电磁波通过天线进入到被测介质中,电磁波在传播过程中遇到钢筋材质有差别的混凝土,混凝土的不连续面,混凝土与空气的分界面,混凝土与围岩的分界面,岩石中的裂面等会产生反射,接收天线接收反射波,测出反射波的入射,反射双向走时,根据其到达时间,计算出衬砌厚度,衬砌背后空洞位置及规模[],其原理如所示.
图地质雷达探测原理示意图
Fig.eologicalradardetectionprinciple
典型的衬砌背后接触松散和衬砌背后空洞的雷达无损检测图如图2所示.
(a)接触松散
(b)空洞
图2衬砌背后雷达检测图
Fig.2Groundperatingradar(GPR)detectionimages
本文所述的100余座运营隧道主要分布于京九线,漳龙线,京广线,陇海线,成昆线,滨洲线,南疆线等铁路干线上,也包括滨洲线下行兴安岭隧道,阳安线银平山隧道,宝成线寺垭河隧道等铁路隧道.检测主要采用地质雷达无损检测法,实施检测时分别在铁路隧道拱顶,左右拱腰和左右拱脚位置共布置了5条纵向测线,同时沿隧道轴向每隔10m布置一条环向测线,测线布置方式如图3所示.
图3地质雷达测线布置
Fig.3SurveylinearrangementsofGPR
检测隧道的衬砌类型有早期修建的单层衬砌,也有后来修建的复合式衬砌,隧道检测段围岩级别主要为II~V级,为便于后续衬砌背后接触状态规律性的分析,对各级围岩条件下各类型衬砌的测线总长度进行了统计,统计结果如表1所示.
表1各围岩测线总长度统计Table1Surveylinelengthstatisticsunderdifferent
surroundingrockclassifications
衬砌类型总长度/mV级IV级III级II级单层衬砌197501663081904010复合式衬砌9630808052703660——FDD(followingdatadisposition)进行数据处理,对雷达检测数据的处理过程实现了程序化,提高了衬砌背后接触状态的分析精度和处理效率.
基于地质雷达检测数据后续处理系统(FDD)可以方便地提取隧道衬砌背后接触不良这一质量缺陷的相关数据,现对不同围岩级别,不同位置以及不同衬砌类型条件下的衬砌背后接触松散和衬砌背后空洞区段的质量缺陷及其变化规律进行分析.
4.1衬砌背后接触松散状况的检测数据分析
各级围岩条件下,不同位置,不同径向尺寸区间条件下衬砌背后接触松散的纵向总长度占测线总长度比例情况如图4~6所示.
(a)单层衬砌
(b)复合式衬砌
图4拱顶位置接触松散状况统计图
Fig.4Statisticaldiagramsofloosecontactstatesinvault
(a)单层衬砌
(b)复合式衬砌
图5拱腰位置接触松散状况统计图
Fig.5Statisticaldiagramsofloosecontactstatesinwaist
(a)单层衬砌
(b)复合式衬砌
图6拱脚位置接触松散状况统计图
Fig.6Statisticaldiagramsofloosecontactstatesinarchfeet
对各级围岩条件下,不同位置处的衬砌背后接触松散的径向尺寸的均值,标准差和变异系数进行了统计,单层衬砌和复合式衬砌相应的统计结果分别列于表2,3中.
在不同类型围岩条件下,单层衬砌背后接触松散状况的分布如图7(a)所示,显然接触松散范围的径向尺寸主要集中在0.3~0.7m范围内,不同围岩级别以及不同的隧道位置的接触松散状况也有所不同.
表2单层衬砌背后接触松散径向尺寸统计特征
Table2Radialdimensionstatisticalcharacteristicsofloose
contactstatesbehindsingleshelllining
围岩等级拱顶拱腰拱脚均值/
m标准差/m变异系数(均值/
m标准差/m变异系数(均值/
m标准差/m变异系数(V0.4700.2240.4780.4420.1510.3410.4430.1370.309IV0.3900.1650.4240.4090.1350.3300.4010.1090.272III0.3440.1390.4050.3740.1180.3150.3850.0960.249II0.3320.1150.3460.3530.0950.2690.3380.0840.248
表3复合式衬砌背后接触松散径向尺寸统计特征
Table3Radialdimensionstatisticalcharacteristicsofloose
contactstatesbehindpositelining
围岩等级拱顶拱腰拱脚均值/
m标准差/m变异系数(均值/
m标准差/m变异系数(均值/
m标准差/m变异
系数(V0.3810.1630.4270.3570.1300.3630.3040.0750.246IV0.3600.1380.3830.3330.1040.3140.2770.0600.215III0.3270.1030.3150.3100.0840.2720.2700.0540.199II0.2930.0760.2610.2920.0710.2440.2560.0480.187
拟合曲线
位置围岩等级A(拱顶V5.220.440.275.850.13IV1.490.360.329.270.16拱腰V0.500.440.319.750.16IV-1.390.380.3811.950.19拱脚V2.010.410.368.750.18IV0.620.370.3710.220.18拟合曲线所对应的参数
(a)单层衬砌
拟合曲线
位置围岩等级A(拱顶V2.230.330.359.050.18IV0.090.290.4712.740.24拱腰V-0.380.320.3811.750.19IV-1.030.250.4514.380.22拱脚V1.430.270.239.500.12IV1.140.260.259.860.12拟合曲线所对应的参数
(b)复合衬砌
图7衬砌背后接触松散区径向尺寸分布
Fig.7Radialdimensiondistributionsofloosezonesbehind
tunnellining
复合衬砌结构背后接触松散范围在不同围岩级别条件下的径向尺寸分布如图7(b)所示,主要集中在0.2~0.5m范围内,并随围岩级别及隧道位置而变化.
综合以上分析可以看出:
(1)单层衬砌和复合式衬砌背后接触松散状况的尺度分布呈现一定的正态分布特性.
(2)不论是单层衬砌还是复合式衬砌,拱顶位置处衬砌背后接触松散的状况明显多于拱腰和拱脚位置处,且该质量缺陷出现的比例随着围岩稳定性的提高而相应减少,尤其是在较差围岩的拱顶位置,出现比例更大,如V和IV级围岩的拱顶位置,单层衬砌背后接触松散的区段长度占相应围岩级别长度的比例分别高达13.73%和13.95%,这也主要是由于软弱,破碎围岩区段施工时光面爆破效果差,拱部回填不当等原因造成的.
(3)由对接触松散状况的统计特征参数的分析可以看出,同等围岩条件下,相同位置处的单层衬砌背后接触松散状况明显高于复合式衬砌,可见,单层衬砌比复合式衬砌更易出现衬砌背后接触松散这一质量缺陷,而且松散程度也更为严重.
4.2衬砌背后空洞的检测数据分析
就现场检测结果来看,复合式衬砌背后空洞数量较少,且空洞特征参数的规律性不明显,而单层衬砌背后空洞较为普遍,相应的空洞特征参数存在较为明显的变化规律,在进行数据分析时,本文主要针对单层衬砌背后空洞的检测数据进行分析.各级围岩条件下,不同位置,不同径向尺寸区间条件下衬砌背后空洞的纵向总长度占测线总长度比例情况如图8所示.
对各级围岩条件下,不同位置处的衬砌背后空洞的径向尺寸的均值,标准差和变异系数进行了统计分析,结果列于表4中.
(a)拱顶
(b)拱腰
(c)拱脚
图8单层衬砌不同位置空洞特征统计图
Fig.8Statisticaldiagramsofvoidcharacteristicsofdifferent
locationsofsingleshelllinings
表4单层衬砌背后空洞径向尺寸统计特征
Table4Radialdimensionstatisticalcharacteristicsofvoids
behindsingleshelllining
围岩等级拱顶拱腰拱脚均值/
m标准差/m变异系数(均值/
m标准差/m变异系数(均值/
m标准差/m变异系数(V0.3850.2140.5550.3380.1060.3130.3100.0390.126IV0.3620.1470.4060.3110.0600.1930.2950.0260.088III0.3530.1010.2860.2960.0390.1330.2740.0180.066II0.3420.0510.1490.2770.0210.0760.2530.0110.043在围岩不同级别条件下,不同位置处的衬砌背后空洞径向尺寸分布如图9所示,空洞尺寸主要集中在0.2~0.5m范围内,随围岩级别的变化幅度变小.
(a)拟合曲线
位置围岩等级A(拱顶V-0.310.360.3611.030.18IV1.050.340.289.590.14拱腰V0.630.290.3210.690.16IV1.120.270.2710.130.14拱脚V1.720.250.3010.240.15IV0.680.260.2912.490.15(b)拟合曲线所对应的参数
图9单层衬砌背后空洞径向尺寸分布
Fig.9Radialdimensiondistributionofvoidsbehindsingle
shelllining
通过对隧道衬砌背后空洞分布检测结果的分析可以看出:
(1)衬砌背后空洞的径向尺寸分布与衬砌背后接触松散相类似,也呈现出一定的正态分布特性.
(2)随着围岩稳定性的提高,衬砌背后空洞出现的比例逐渐减小,且空洞的径向尺寸,标准差和变异系数也逐渐降低,可见衬砌背后空洞出现比例以及严重程度与围岩状况密切相关.
(3)衬砌背后空洞呈现的比例,径向尺寸,标准差和变异性存在拱顶→拱腰→拱脚逐渐降低的规律,这也主要是由于衬砌在浇筑时泵送混凝土压力不足以及未对拱部位置脱空区域进行补充注浆等原因造成的.
综合检测数据可以看出,衬砌背后接触松散和空洞段隧道长度占检测总长度的比例高达11.56%,尤其是对单层衬砌来说更为严重.而对其成因的分析则是有效防治病害,进而保证运营安全的基础.
5接触不良的成因分析及控制对策
衬砌结构背后接触松散和空洞的存在是隧道支护与围岩接触不良的主要表现形式,其实质在一定程度上恶化了"支护–围岩"关系,由此直接或间接地造成各种结构病害,严重时会危及到运营安全,这也是地下结构普遍存在的问题.
一般来说,隧道结构病害的产生通常有设计理念,施工质量控制和养护水平3个层面的原因:
(1)按照传统的设计理念,尤其是单层衬砌支护时,通常采用先拱后墙的施工方法,这样必然会出现施工过程中拱部结构的下沉,进而造成拱部衬砌结构与围岩的脱离,形成空洞或接触不良的状态,这是造成单层衬砌隧道拱部空洞的重要原因.
(2)鉴于隧道施工中超欠挖现象的客观存在,使得初期支护很难与围岩完全密贴,因而出现衬砌背后的空洞是必然的,由于超欠挖的程度以及后期处理方式不同,则在初期支护背后的不同位置出现不同规模的空洞,一般是在隧道拱脚以上的部位较为普遍,同时由于混凝土输送泵的压力不足,也会造成拱部初期支护与二次衬砌结构之间的接触不良,或存在空洞,这是铁路隧道衬砌背后出现空洞的主要原因.
(3)隧道交付运营后,由于列车运行振动以及隧道周边围岩中水的作用,可能诱发空洞周边围岩的坍塌,进而出现松散接触或产生更大范围的空洞,此外隧道运营中出现的病害现象未及时处理,也使接触状况恶化,从而导致衬砌裂损及渗漏水病害的发生,可见,运营养护和管理不到位是隧道衬砌背后空洞发展和病害产生的基本诱因.
事实上,造成隧道衬砌结构裂损和渗漏水病害的因素包括衬砌厚度不足,厚度分布不均和衬砌背后接触不良等,这三者相互影响,互为制约,其中"支护–围岩"接触不良通常成为安全事故的直接诱因,同时也是较难控制的.因此为了减少衬砌背后的空洞,保持"支护–围岩"良好的接触状态,近年来重点开展了以下几个方面的工作:
(1)推行新奥法施工技术以来,对隧道围岩,尤其是III级以下的不稳定地层普遍采用复合衬砌方式,废除了.TunnellingandundergroundengineeringtechnologyinChina[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,2016:237–274.(inChinese))
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224岩石力学与工程学报201年
第32卷第2期张顶立等:铁路运营隧道衬砌背后接触状态及其分析223
岩石力学与工程学报Vol.32No.2
2016年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.,2016
收稿日期:2016–08–06,修回日期:2016–10–20
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2016CB732100)
作者简介:张顶立(1963–),男,博士,1995年于中国矿业大学采矿工程专业获博士学位,现任教授,博士生导师,主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作.E-mail:zhang-dingli@263.
0
5
10
15
20
25
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9850
9855
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0
5
10
15
20
6005
6010
拱顶测线
右拱腰测线
左拱腰测线
左拱脚测线
右拱脚测线
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
纵向总长度占测线
总长度的比例/%
V级围岩
IV级围岩
III级围岩
II级围岩
0.1~0.2
0.2~0.3
0.3~0.4
0.4~0.5
0.5~0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
>,0.8
径向尺寸区间/m
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.1~0.2
0.2~0.3
0.3~0.4
0.4~0.5
0.5~0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
>,0.8
径向尺寸区间/m
V级围岩
IV级围岩
III级围岩
II级围岩
纵向总长度占测线
总长度的比例/%
2.5
2.0
1.5
1.0
0.0
纵向总长度占测线
总长度的比例/%
0.5
V级围岩
IV级围岩
III级围岩
II级围岩
0.1~0.2
0.2~0.3
0.3~0.4
0.4~0.5
0.5~0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
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径向尺寸区间/m
1.2
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0.6
0.4
0.2
0.0
纵向总长度占测线
总长度的比例/%
0.1~0.2
0.2~0.3
0.3~0.4
0.4~0.5
0.5~0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
>,0.8
径向尺寸区间/m
V级围岩
IV级围岩
III级围岩
II级围岩
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
纵向总长度占测线
总长度的比例/%
0.1~0.2
0.2~0.3
0.3~0.4
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0.5~0.6
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>,0.8
径向尺寸区间/m
V级围岩
IV级围岩
III级围岩
II级围岩
0.5
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0.3
0.2
0.1
0.0
纵向总长度占测线
总长度的比例/%
0.1~0.2
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径向尺寸区间/m
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IV级围岩
III级围岩
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总长度的比例/%
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IV级围岩
III级围岩
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纵向总长度占测线
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IV级围岩
III级围岩
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径向尺寸区间/m
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II级围岩
里程/m
里程/m
时间/ns
时间/ns
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6015