鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析

1、鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析張頂立，張素磊，房 倩，陳峰賓(北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)摘要：鐵路隧道襯砌背后接觸狀態(tài)可分為襯砌背后接觸密實(shí)、襯砌背后接觸松散和襯砌背后空洞3種情況，其中，襯砌背后接觸松散和襯砌背后空洞統(tǒng)稱為襯砌背后接觸不良，是常見的隧道質(zhì)量缺陷。研究表明：襯砌背后接觸不良是誘發(fā)隧道病害的重要原因，直接影響到隧道結(jié)構(gòu)的安全性。通過對100余座鐵路運(yùn)營隧道襯砌無損檢測及統(tǒng)計(jì)分析，取得以下結(jié)論：(1) 同等條件下，單層襯砌比復(fù)合式襯砌更易出現(xiàn)襯砌背后接觸不良狀況，且單層襯砌背后接觸不良程度高于復(fù)合式襯砌；(2) 襯砌背后接觸不良段所占比例

2、及嚴(yán)重程度與圍巖級別有密切關(guān)系，在隧道圍巖穩(wěn)定性較差的區(qū)段更為嚴(yán)重；(3) 襯砌背后接觸不良狀況隨斷面位置而變化，以拱頂處最大，拱腳減??；(4) 襯砌背后空洞的存在受到隧道設(shè)計(jì)理念、工程質(zhì)量控制和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)水平等因素的影響，而襯砌背后及時的回填注漿則是控制的關(guān)鍵。取得的隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分布規(guī)律可為結(jié)構(gòu)缺陷的病害演化及致災(zāi)機(jī)制的研究提供參考與借鑒。關(guān)鍵詞：隧道工程；鐵路運(yùn)營隧道；襯砌背后接觸狀態(tài)；接觸松散；空洞；無損檢測中圖分類號：U 45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：10006915(2013)02021708STUDY OF CONTACT STATE BEHIND TUNNEL LIN

3、ING IN PROCESS OF RAILWAY OPERATION AND ITS ANALYSISZHANG Dingli，ZHANG Sulei，F(xiàn)ANG Qian，CHEN Fengbin(Key Laboratory for Urban Underground Engineering of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract：There are three types of contact states between the primary linings

4、and the secondary linings for the railway tunnels. Those are tight contact state，loose contact state and voids. Both the loose contact state and the voids behind the linings can be regarded as poor contact，which are deemed as typical tunnel quality defects. The research results show that the poor co

5、ntact states have great influence on tunnel structure safety. General law of contact states behind railway tunnel linings in China is obtained according to the lining nondestructive test data of more than 100 railway tunnels. The research results show that：(1) Poor contact states behind linings are

6、more incidental and serious in single shell lining than in the composite lining under the same conditions. (2) The occurrence proportion and severity of poor contact conditions behind linings have a close relationship with the surrounding rock classification；and they are more disadvantageous in the

7、poorer surrounding rock. (3) The occurrence proportion and severity of poor contact states behind linings are affected by the positions of the poor contact states around the tunnel cross-section. The negative effects of the contact states decrease from the tunnel crowns to tunnel feet. (4) The appea

8、rance of the voids is affected by tunnel design principle，construction quality control，operational maintenance efficiency，etc. The prompt contact grouting between the primary lining and surrounding ground is the key to control this undesired phenomenon. The results obtained in this study can provide

9、 useful reference for studying the contact states between the primary linings and the secondary linings. It will also be helpful to study the development of the defects in the tunnel structure system.Key words：tunnelling engineering；railway operation tunnel；contact states behind tunnel linings；loose

10、 contact； voids；nondestructive test1 引 言據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2010年底，我國已經(jīng)建成的鐵路隧道總長度已經(jīng)超過7 000 km，在建鐵路隧道總長度已超過7 500 km，正在設(shè)計(jì)和規(guī)劃建設(shè)的隧道總長度超過10 000 km1-2，我國已經(jīng)成為名副其實(shí)的隧道大國3。然而，由于受設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理等諸多環(huán)節(jié)中不利因素的影響，鐵路隧道在投入運(yùn)營后出現(xiàn)了不同程度的病害現(xiàn)象，如襯砌變形及裂損、結(jié)構(gòu)滲漏水、道床損壞等，嚴(yán)重威脅著隧道內(nèi)的行車安全，縮短了隧道的維護(hù)周期和使用壽命，形成了安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失。在導(dǎo)致隧道病害的諸多因素中，隧道襯砌背后接觸狀態(tài)不良是隧道結(jié)構(gòu)

11、病害的主要成因之一4。目前，國內(nèi)外隧道工程界的專家學(xué)者們也逐漸意識到隧道襯砌背后接觸不良給襯砌結(jié)構(gòu)安全性所帶來的危害，紛紛采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)相似模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行了相關(guān)研究，并獲取了一些有價值的結(jié)論，如吳江濱5基于平面復(fù)變函數(shù)法推導(dǎo)了含襯砌背后空洞時圍巖三次應(yīng)力與襯砌內(nèi)力計(jì)算公式；M. A. Meguid等6-8利用數(shù)值計(jì)算方法對隧道襯砌背后空洞的安全性影響進(jìn)行了研究；何 川等9-10利用室內(nèi)模型試驗(yàn)對襯砌背后空洞存在時，襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律、承載特性和病害形成模式進(jìn)行了研究。隧道襯砌背后接觸狀況不良是典型的隧道工程質(zhì)量缺陷，其形成的原因非常復(fù)雜，但其對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響是至關(guān)重要的

12、，然而，對我國鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)一直缺乏系統(tǒng)的調(diào)查和研究。筆者在鐵道部重點(diǎn)項(xiàng)目“鐵路運(yùn)營隧道病害綜合整治技術(shù)研究及安全性評價”的支持下，完成了100余座鐵路運(yùn)營隧道襯砌無損檢測工作和評估工作，獲取了大量的隧道襯砌背后接觸狀態(tài)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)。本文擬對這些檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期形成對我國鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)的基本認(rèn)識，進(jìn)而作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害機(jī)制和安全性控制研究的基礎(chǔ)。2 隧道襯砌背后接觸狀態(tài)的分類一般來說，隧道襯砌背后接觸狀態(tài)可分為襯砌背后接觸密實(shí)、接觸松散和襯砌背后空洞3種情況。按照不同的工程與地質(zhì)條件，采用合理的施工方法及規(guī)范的襯砌施工工藝，隧道建成以后襯砌與圍巖之間接觸

13、良好，兩者能夠形成良好的“圍巖支護(hù)”相互作用體系，通常稱這種接觸狀態(tài)為襯砌背后接觸密實(shí)；然而，在隧道施工過程中，由于爆破作業(yè)操作不當(dāng)?shù)仍?，往往會產(chǎn)生超欠挖現(xiàn)象，按照相關(guān)規(guī)定，超挖部分應(yīng)予以回填，但有時回填材料和施工質(zhì)量不能滿足相關(guān)要求，而是由一些松散介質(zhì)堆填起來的，此時的接觸狀態(tài)稱為襯砌背后接觸松散；更有甚者，由于隧道超挖處未做任何處理或襯砌澆筑時壓力不足等原因，襯砌與圍巖之間出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象，將這種接觸狀態(tài)稱為襯砌背后空洞。在這3種接觸狀態(tài)中，筆者將襯砌背后接觸松散和襯砌背后空洞統(tǒng)稱為襯砌背后接觸不良。襯砌背后接觸密實(shí)時，襯砌結(jié)構(gòu)在承受圍巖壓力作用的同時，能夠產(chǎn)生充分的地層反力，使襯砌結(jié)構(gòu)處

14、于良好的受力狀態(tài)，而當(dāng)襯砌背后接觸不良時，惡化了襯砌結(jié)構(gòu)的受力條件，使得襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中，嚴(yán)重時導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害現(xiàn)象。而且如果襯砌背后空洞過大，隧道在投入運(yùn)營以后，空洞附近的圍巖可能在車輛荷載、地下水等影響下出現(xiàn)松動，造成圍巖的失穩(wěn)，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致運(yùn)營隧道出現(xiàn)塌方，國外曾有過因隧道襯砌背后存在較大的空洞而造成的塌方事故的報(bào)道。為了探明隧道襯砌背后接觸狀況，一般采用無損檢測與部分鉆探相結(jié)合的技術(shù)手段對襯砌背后的空洞分布和圍巖密實(shí)度等進(jìn)行探測。3 隧道襯砌接觸狀態(tài)的無損檢測目前，對隧道襯砌背后接觸狀態(tài)的無損檢測方法主要有地質(zhì)雷達(dá)無損檢測法、超聲波無損檢測法和錘擊回聲法等11。由于地質(zhì)

15、雷達(dá)具有無破壞性、探測精度高、抗干擾能力強(qiáng)、操作與解譯方便等優(yōu)點(diǎn)，地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)日趨成熟，該檢測方法已然成為隧道襯砌背后接觸狀態(tài)無損檢測的主流方法。地質(zhì)雷達(dá)法是一種基于電磁波反射原理的無損檢測方法。在襯砌背后接觸狀態(tài)測試時，將地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射和接收天線密貼于隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面，電磁波通過天線進(jìn)入到被測介質(zhì)中，電磁波在傳播過程中遇到鋼筋、材質(zhì)有差別的混凝土、混凝土的不連續(xù)面、混凝土與空氣的分界面、混凝土與圍巖的分界面、巖石中的裂面等會產(chǎn)生反射，接收天線接收反射波，測出反射波的入射、反射雙向走時，根據(jù)其到達(dá)時間，計(jì)算出襯砌厚度、襯砌背后空洞位置及規(guī)模12，其探測原理如圖1所示。圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測

16、原理示意圖Fig.1 Sketch of geological radar detection principle 典型的襯砌背后接觸松散和襯砌背后空洞的雷達(dá)無損檢測圖如圖2所示。0510152025309 8509 8559 860里程/m時間/ns9 865(a) 接觸松散051015206 0056 010里程/m時間/ns6 015(b) 空洞圖2 襯砌背后雷達(dá)檢測圖Fig.2 Ground penetrating radar(GPR) detection images本文所述的100余座運(yùn)營隧道主要分布于京九線、漳龍線、京廣線、隴海線、成昆線、濱洲線、南疆線等鐵路干線上，也包括濱洲線

17、下行興安嶺隧道、陽安線銀平山隧道、寶成線寺埡河隧道等鐵路隧道。檢測主要采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測法，實(shí)施檢測時分別在鐵路隧道拱頂、左右拱腰和左右拱腳位置共布置了5條縱向測線，同時沿隧道軸向每隔10 m布置一條環(huán)向測線，測線布置方式如圖3所示。拱頂測線右拱腰測線左拱腰測線左拱腳測線右拱腳測線圖3 地質(zhì)雷達(dá)測線布置Fig.3 Survey line arrangements of GPR檢測隧道的襯砌類型有早期修建的單層襯砌，也有后來修建的復(fù)合式襯砌，隧道檢測段圍巖級別主要為IIV級，為便于后續(xù)襯砌背后接觸狀態(tài)規(guī)律性的分析，對各級圍巖條件下各類型襯砌的測線總長度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。表1 各級

18、圍巖測線總長度統(tǒng)計(jì)Table 1 Survey line length statistics under different surrounding rock classifications襯砌類型總長度/mV級IV級III級II級單層襯砌19 75016 6308 1904 010復(fù)合式襯砌 9 630 8 0805 2703 6604 襯砌背后接觸狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析檢測鐵路隧道多達(dá)100余座，每座隧道布置5條測線，獲取了數(shù)量龐大的檢測數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方式是采用人工讀取和編輯的方式進(jìn)行逐段分析，工作效率低下，為了方便、準(zhǔn)確、快捷地獲取隧道襯砌背后接觸狀況，采用自行研發(fā)的基于Microsof

19、t Visual Basic 6.0程序語言地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)后續(xù)處理系統(tǒng)FDD(following data disposition)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)的處理過程實(shí)現(xiàn)了程序化，提高了襯砌背后接觸狀態(tài)的分析精度和處理效率。基于地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)后續(xù)處理系統(tǒng)(FDD)可以方便地提取隧道襯砌背后接觸不良這一質(zhì)量缺陷的相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)對不同圍巖級別、不同位置以及不同襯砌類型條件下的襯砌背后接觸松散和襯砌背后空洞區(qū)段的質(zhì)量缺陷及其變化規(guī)律進(jìn)行分析。4.1襯砌背后接觸松散狀況的檢測數(shù)據(jù)分析各級圍巖條件下，不同位置、不同徑向尺寸區(qū)間條件下襯砌背后接觸松散的縱向總長度占測線總長度比例情況如圖46所示。4.

20、03.53.02.52.01.51.00.50.0縱向總長度占測線總長度的比例/%V級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖0.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/m(a) 單層襯砌1.41.21.00.80.60.40.20.00.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/mV級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖縱向總長度占測線總長度的比例/%(b) 復(fù)合式襯砌圖4 拱頂位置接觸松散狀況統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistical diagrams of loose cont

21、act states in vault 2.52.01.51.00.0縱向總長度占測線總長度的比例/%0.5V級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖0.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/m (a) 單層襯砌1.21.00.80.60.40.20.0縱向總長度占測線總長度的比例/%0.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/mV級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖(b) 復(fù)合式襯砌圖5 拱腰位置接觸松散狀況統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical diagrams of

22、 loose contact states in waist 1.41.21.00.80.60.40.20.0縱向總長度占測線總長度的比例/%0.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/mV級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖(a) 單層襯砌0.50.40.30.20.10.0縱向總長度占測線總長度的比例/%0.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/mV級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖(b) 復(fù)合式襯砌圖6 拱腳位置接觸松散狀況統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistica

23、l diagrams of loose contact states in arch feet 對各級圍巖條件下、不同位置處的襯砌背后接觸松散的徑向尺寸的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，單層襯砌和復(fù)合式襯砌相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別列于表2，3中。在不同類型圍巖條件下，單層襯砌背后接觸松散狀況的分布如圖7(a)所示，顯然接觸松散范圍的徑向尺寸主要集中在0.30.7 m范圍內(nèi)，不同圍巖級別以及不同的隧道位置的接觸松散狀況也有所不同。表2 單層襯砌背后接觸松散徑向尺寸統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Radial dimension statistical characteristics of loose con

24、tact states behind single shell lining圍巖等級拱頂拱腰拱腳均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)s均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)s均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)sV0.4700.2240.4780.4420.1510.3410.4430.1370.309IV0.3900.1650.4240.4090.1350.3300.4010.1090.272III0.3440.1390.4050.3740.1180.3150.3850.0960.249II0.3320.1150.3460.3530.0950.2690.3380.0840.248表3 復(fù)合式襯砌背后接觸松散徑向尺寸統(tǒng)計(jì)特征

25、Table 3 Radial dimension statistical characteristics of loosecontact states behind composite lining圍巖等級拱頂拱腰拱腳均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)s均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)s均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)sV0.3810.1630.4270.3570.1300.3630.3040.0750.246IV0.3600.1380.3830.3330.1040.3140.2770.0600.215III0.3270.1030.3150.3100.0840.2720.2700.0540.199II0.2930

26、.0760.2610.2920.0710.2440.2560.0480.187擬合曲線位置圍巖等級As拱頂V 5.220.440.27 5.850.13IV 1.490.360.32 9.270.16拱腰V 0.500.440.31 9.750.16IV1.390.380.3811.950.19拱腳V 2.010.410.36 8.750.18IV 0.620.370.3710.220.18擬合曲線所對應(yīng)的參數(shù)(a) 單層襯砌擬合曲線位置圍巖等級As拱頂V 2.230.330.35 9.050.18IV 0.090.290.4712.740.24拱腰V0.380.320.3811.750.19

27、IV1.030.250.4514.380.22拱腳V 1.430.270.23 9.500.12IV 1.140.260.25 9.860.12擬合曲線所對應(yīng)的參數(shù)(b) 復(fù)合襯砌圖7 襯砌背后接觸松散區(qū)徑向尺寸分布Fig.7 Radial dimension distributions of loose zones behindtunnel lining 復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)背后接觸松散范圍在不同圍巖級別條件下的徑向尺寸分布如圖7(b)所示，主要集中在0.20.5 m范圍內(nèi)，并隨圍巖級別及隧道位置而變化。綜合以上分析可以看出：(1) 單層襯砌和復(fù)合式襯砌背后接觸松散狀況的尺度分布呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布特

28、性。(2) 不論是單層襯砌還是復(fù)合式襯砌，拱頂位置處襯砌背后接觸松散的狀況明顯多于拱腰和拱腳位置處，且該質(zhì)量缺陷出現(xiàn)的比例隨著圍巖穩(wěn)定性的提高而相應(yīng)減少，尤其是在較差圍巖的拱頂位置，出現(xiàn)比例更大，如V和IV級圍巖的拱頂位置，單層襯砌背后接觸松散的區(qū)段長度占相應(yīng)圍巖級別長度的比例分別高達(dá)13.73%和13.95%，這也主要是由于軟弱、破碎圍巖區(qū)段施工時光面爆破效果差，拱部回填不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻摹?3) 由對接觸松散狀況的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)的分析可以看出，同等圍巖條件下，相同位置處的單層襯砌背后接觸松散狀況明顯高于復(fù)合式襯砌，可見，單層襯砌比復(fù)合式襯砌更易出現(xiàn)襯砌背后接觸松散這一質(zhì)量缺陷，而且松散程度也更

29、為嚴(yán)重。4.2襯砌背后空洞的檢測數(shù)據(jù)分析就現(xiàn)場檢測結(jié)果來看，復(fù)合式襯砌背后空洞數(shù)量較少，且空洞特征參數(shù)的規(guī)律性不明顯，而單層襯砌背后空洞較為普遍，相應(yīng)的空洞特征參數(shù)存在較為明顯的變化規(guī)律，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，本文主要針對單層襯砌背后空洞的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各級圍巖條件下，不同位置、不同徑向尺寸區(qū)間條件下襯砌背后空洞的縱向總長度占測線總長度比例情況如圖8所示。對各級圍巖條件下、不同位置處的襯砌背后空洞的徑向尺寸的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果列于表4中。2.52.01.51.00.50.00.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸

30、區(qū)間/m縱向總長度占測線總長度的比例/%V級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖(a) 拱頂1.41.21.00.80.60.40.20.0縱向總長度占測線總長度的比例/%0.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/mV級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖(b) 拱腰0.80.60.40.20.0縱向總長度占測線總長度的比例/%0.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.8徑向尺寸區(qū)間/mV級圍巖IV級圍巖III級圍巖II級圍巖(c) 拱腳圖8 單層襯砌不同位置空洞特征統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 S

31、tatistical diagrams of void characteristics of different locations of single shell linings 表4 單層襯砌背后空洞徑向尺寸統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Radial dimension statistical characteristics of voids behind single shell lining圍巖等級拱頂拱腰拱腳均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)s均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)s均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m變異系數(shù)sV0.3850.2140.5550.3380.1060.3130.3100.0390.126IV0.

32、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在圍巖不同級別條件下，不同位置處的襯砌背后空洞徑向尺寸分布如圖9所示，空洞尺寸主要集中在0.20.5 m范圍內(nèi)，隨圍巖級別的變化幅度變小。(a) 擬合曲線位置圍巖等級As拱頂V0.310.360.3611.030.18IV1.050.340.289.590.14拱腰V0.630.290.3210.690.16IV1.120

33、.270.2710.130.14拱腳V1.720.250.3010.240.15IV0.680.260.2912.490.15(b) 擬合曲線所對應(yīng)的參數(shù)圖9 單層襯砌背后空洞徑向尺寸分布Fig.9 Radial dimension distribution of voids behind single shell lining通過對隧道襯砌背后空洞分布檢測結(jié)果的分析可以看出：(1) 襯砌背后空洞的徑向尺寸分布與襯砌背后接觸松散相類似，也呈現(xiàn)出一定的正態(tài)分布特性。(2) 隨著圍巖穩(wěn)定性的提高，襯砌背后空洞出現(xiàn)的比例逐漸減小，且空洞的徑向尺寸、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)也逐漸降低，可見襯砌背后空洞出現(xiàn)比例

34、以及嚴(yán)重程度與圍巖狀況密切相關(guān)。(3) 襯砌背后空洞呈現(xiàn)的比例、徑向尺寸、標(biāo)準(zhǔn)差和變異性存在拱頂拱腰拱腳逐漸降低的規(guī)律，這也主要是由于襯砌在澆筑時泵送混凝土壓力不足以及未對拱部位置脫空區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充注漿等原因造成的。綜合檢測數(shù)據(jù)可以看出，襯砌背后接觸松散和空洞段隧道長度占檢測總長度的比例高達(dá)11.56%，尤其是對單層襯砌來說更為嚴(yán)重。而對其成因的分析則是有效防治病害、進(jìn)而保證運(yùn)營安全的基礎(chǔ)。5 接觸不良的成因分析及控制對策襯砌結(jié)構(gòu)背后接觸松散和空洞的存在是隧道支護(hù)與圍巖接觸不良的主要表現(xiàn)形式，其實(shí)質(zhì)在一定程度上惡化了“支護(hù)圍巖”關(guān)系，由此直接或間接地造成各種結(jié)構(gòu)病害，嚴(yán)重時會危及到運(yùn)營安全，這也

35、是地下結(jié)構(gòu)普遍存在的問題。一般來說，隧道結(jié)構(gòu)病害的產(chǎn)生通常有設(shè)計(jì)理念、施工質(zhì)量控制和養(yǎng)護(hù)水平3個層面的原因：(1) 按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，尤其是單層襯砌支護(hù)時，通常采用先拱后墻的施工方法，這樣必然會出現(xiàn)施工過程中拱部結(jié)構(gòu)的下沉，進(jìn)而造成拱部襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的脫離，形成空洞或接觸不良的狀態(tài)，這是造成單層襯砌隧道拱部空洞的重要原因。(2) 鑒于隧道施工中超欠挖現(xiàn)象的客觀存在，使得初期支護(hù)很難與圍巖完全密貼，因而出現(xiàn)襯砌背后的空洞是必然的，由于超欠挖的程度以及后期處理方式不同，則在初期支護(hù)背后的不同位置出現(xiàn)不同規(guī)模的空洞，一般是在隧道拱腳以上的部位較為普遍；同時由于混凝土輸送泵的壓力不足，也會造成拱部初

36、期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間的接觸不良，或存在空洞，這是鐵路隧道襯砌背后出現(xiàn)空洞的主要原因。(3) 隧道交付運(yùn)營后，由于列車運(yùn)行振動以及隧道周邊圍巖中水的作用，可能誘發(fā)空洞周邊圍巖的坍塌，進(jìn)而出現(xiàn)松散接觸或產(chǎn)生更大范圍的空洞；此外隧道運(yùn)營中出現(xiàn)的病害現(xiàn)象未及時處理，也使接觸狀況惡化，從而導(dǎo)致襯砌裂損及滲漏水病害的發(fā)生，可見，運(yùn)營養(yǎng)護(hù)和管理不到位是隧道襯砌背后空洞發(fā)展和病害產(chǎn)生的基本誘因。事實(shí)上，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損和滲漏水病害的因素包括襯砌厚度不足、厚度分布不均和襯砌背后接觸不良等，這三者相互影響、互為制約，其中“支護(hù)圍巖”接觸不良通常成為安全事故的直接誘因，同時也是較難控制的。因此為了減少襯砌背

37、后的空洞，保持“支護(hù)圍巖”良好的接觸狀態(tài)，近年來重點(diǎn)開展了以下幾個方面的工作：(1) 推行新奧法施工技術(shù)以來，對隧道圍巖，尤其是III級以下的不穩(wěn)定地層普遍采用復(fù)合襯砌方式，廢除了先拱后墻的施工工藝，在大斷面隧道施工中按照初期支護(hù)自上而下、二次襯砌自下而上的順序施工，這樣便從規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)層面上避免了拱頂部位大范圍空洞的出現(xiàn)。(2) 嚴(yán)格控制爆破施工中的超、欠挖，對于穩(wěn)定性較好的地層實(shí)施光面爆破，而對于穩(wěn)定性較差的地層則對圍巖實(shí)行可靠的預(yù)加固，以保證開挖過程中圍巖的穩(wěn)定，做到盡可能減少初期支護(hù)與圍巖之間的空隙和空洞。(3) 實(shí)施襯砌背后的回填注漿和徑向注漿，初期支護(hù)完成后，在滯后掌子面23 m即實(shí)

38、施背后回填注漿，注漿壓力一般控制在0.5 MPa以下，這樣一方面及時充填空洞，同時也可控制圍巖的穩(wěn)定性；在鋪設(shè)防水板之前應(yīng)用探地雷達(dá)對襯砌背后進(jìn)行全面探測13，對發(fā)現(xiàn)的空洞進(jìn)行注漿，直到探測滿足要求為止；為保證襯砌背后破碎圍巖的長期穩(wěn)定性，對23 m范圍內(nèi)的圍巖實(shí)行徑向注漿，注漿壓力一般可保持在1.01.5 MPa。這樣不僅可有效地控制襯砌背后的接觸狀態(tài)，同時對淺埋隧道的地表沉降控制也至關(guān)重要。(4) 在對運(yùn)營隧道進(jìn)行定期檢查的基礎(chǔ)上，一方面要對病害及時整治，包括結(jié)構(gòu)修復(fù)和襯砌背后的回填注漿，以及對圍巖的加固和堵水；實(shí)施對重點(diǎn)隧道及地段全面檢測和關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測，并制定相應(yīng)的預(yù)警和報(bào)警指標(biāo)值

39、。由此可有效地控制隧道襯砌背后空洞的發(fā)展以及安全事故的發(fā)生。需要指出，“支護(hù)圍巖”關(guān)系是隧道力學(xué)的核心內(nèi)容，也是隧道設(shè)計(jì)的依據(jù)，而襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖處于良好的接觸狀態(tài)則是兩者共同發(fā)揮作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對圍巖穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)，這不僅是隧道工程質(zhì)量控制的重點(diǎn)，也是隧道及地下結(jié)構(gòu)長期安全性的重要保障。考慮到背后空洞對襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)具有顯著的放大作用，支護(hù)與圍巖的緊密接觸也可使隧道的抗震能力大大提高。6 結(jié)論與建議通過對100余座鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸狀況的檢測及統(tǒng)計(jì)分析，可對我國鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及控制對策形成如下認(rèn)識：(1) 隧道襯砌背后的松散區(qū)和空洞是普遍存在的，在檢測隧道中所占比例高達(dá)

40、11.56%，并且不同隧道的差異性較大。(2) 相同圍巖條件下，單層襯砌比復(fù)合式襯砌更易出現(xiàn)襯砌背后接觸不良狀況，且襯砌背后接觸不良的嚴(yán)重程度較復(fù)合式襯砌明顯增高。(3) 襯砌背后接觸不良的比例及嚴(yán)重程度與圍巖級別有密切關(guān)系，在圍巖穩(wěn)定性較差的區(qū)段，出現(xiàn)的比例更高，且接觸不良的狀況也更為嚴(yán)重。(4) 襯砌背后接觸不良狀況出現(xiàn)的比例以及徑向尺寸的均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異性隨斷面位置而變化，通常依拱頂拱腰拱腳的順序而逐漸減小。(5) 鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸不良受設(shè)計(jì)理念、施工質(zhì)量控制和運(yùn)營管理3個層面因素的制約，而采用先進(jìn)的施工方法、襯砌背后充填注漿及提高養(yǎng)護(hù)水平則是隧道安全性的重要保證。參考文獻(xiàn)(

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