鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析

1、Vol.32 No.2巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2013年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering鐵路運(yùn)營(yíng)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(chēng)為襯砌背后接觸不良，是常見(jiàn)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(guò)對(duì)100余座鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌無(wú)損檢測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析，取得以下

2、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及嚴(yán)重程度與圍巖級(jí)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(yíng)養(yǎng)護(hù)水平等因素的影響，而襯砌背后及時(shí)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(yíng)隧道；襯砌背后接觸狀態(tài)；接觸松散；空洞；無(wú)損檢測(cè)中圖分類(lèi)號(hào)：U 45文

3、獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000 6915(2013)02 0217 08STUDY OF CONTACT STATE BEHIND TUNNEL LINING IN PROCESS OFRAILWAY OPERATION AND ITS ANALYSISZHANG Dingli , ZHANG Sulei , FANG Qian , CHEN Fengbin(Key Laboratory for Urban Underground Engineering of Ministry of Education Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,

4、China)Abstract: There are three types of contact states between the primary linings 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

5、are deemed as typical tunnel quality defects. The research results show that the poor contact 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 rai

6、lway tunnels. The research results show that : (1) Poor contact states behind linings are 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 relat

7、ionship with the surrounding rock classification ; and they are more disadvantageous in the 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

8、 effects of the contact states decrease from the tunnel crowns to tunnel feet. (4) The appearance 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 grou

9、nd is the key to control this undesired phenomenon. The results obtained in this study can provide useful reference for studying the contact states between the primary linings and the secondary linings. It收稿日期：2012 08 06;修回日期：2012 1020基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2010CB732100)作者簡(jiǎn)介：張頂立(1963-),男，博士，1995年于

10、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專(zhuān)業(yè)獲博士學(xué)位，現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師，主要從事隧道及地下工程方面的 教學(xué)與研究工作。E-mail ： zhang-dingliwill 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 contact; voids ; nondestru

11、ctive test1引言據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2010年底，我國(guó)已經(jīng)建成的鐵路隧道總長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)7 000 km,在建鐵路隧道總長(zhǎng)度已超過(guò) 7 500 km,正在設(shè)計(jì)和規(guī)劃建 設(shè)的隧道總長(zhǎng)度超過(guò) 10 000 km 1-2,我國(guó)已經(jīng)成為 名副其實(shí)的隧道大國(guó)3。然而，由于受設(shè)計(jì)、施工、 運(yùn)營(yíng)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(yíng)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(chē)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)病害的主要成因之一4。目前，國(guó)

12、內(nèi)外隧道工程界的專(zhuān)家學(xué)者們也逐漸意識(shí)到隧道襯砌背后 接觸不良給襯砌結(jié)構(gòu)安全性所帶來(lái)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(jià)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(shí)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(duì)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(duì)襯砌背后空洞存在時(shí)，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(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全 性的影響是至關(guān)重要的，然而，對(duì)我

13、國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)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(yíng)隧道病害綜合整 治技術(shù)研究及安全性評(píng)價(jià)”的支持下，完成了100余座鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌無(wú)損檢測(cè)工作和評(píng)估工作， 獲取了大量的隧道襯砌背后接觸狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù) 據(jù)。本文擬對(duì)這些檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期形 成對(duì)我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌背后接觸狀態(tài)的基本認(rèn) 識(shí)，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(lèi)一般來(lái)說(shuō)，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

14、接觸良好，兩者能夠形成良好的“圍巖- 支護(hù)”相互作用體系，通常稱(chēng)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(guò)程中，由于爆 破作業(yè)操作不當(dāng)?shù)仍?，往往?huì)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(shí)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(lái)的，此時(shí)的接觸狀態(tài)稱(chēng)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(shí)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(chēng)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(chēng)為襯砌背后接觸不良。襯砌背后接觸密實(shí)時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)在承受?chē)鷰r壓 力作用的同時(shí)，能夠產(chǎn)

15、生充分的地層反力，使襯砌 結(jié)構(gòu)處于良好的受力狀態(tài)，而當(dāng)襯砌背后接觸不良 時(shí)，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(shí)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(guò)大，隧道在投入運(yùn) 營(yíng)以后，空洞附近的圍巖可能在車(chē)輛荷載、地下水 等影響下出現(xiàn)松動(dòng)，造成圍巖的失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)可能 導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)隧道出現(xiàn)塌方，國(guó)外曾有過(guò)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(wú) 損檢測(cè)與部分鉆探相結(jié)合的技術(shù)手段對(duì)襯砌背后的 空洞分布和圍巖密實(shí)度等進(jìn)行探測(cè)。3隧道襯砌接觸狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)目前，對(duì)隧道襯砌背后接觸狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方 法主要有地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢

16、測(cè)法、超聲波無(wú)損檢測(cè)法 和錘擊回聲法等11。由于地質(zhì)雷達(dá)具有無(wú)破壞性、 探測(cè)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)日趨成熟，該檢測(cè)方法 已然成為隧道襯砌背后接觸狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)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(wú) 損檢測(cè)方法。在襯砌背后接觸狀態(tài)測(cè)試時(shí)，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(guò)天線進(jìn)入到被測(cè)介質(zhì)中，電磁波在傳播 過(guò)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(huì)產(chǎn)生反射，接收天線 接收反射波，測(cè)出反射波的入射、反射雙向走時(shí)， 根據(jù)其到達(dá)時(shí)間，計(jì)算出襯砌

17、厚度、襯砌背后空 洞位置及規(guī)模12,其探測(cè)原理如圖 1所示。(b)空洞圖2襯砌背后雷達(dá)檢測(cè)圖Fig.2 Ground penetrating radar(GPR) detection images本文所述的100余座運(yùn)營(yíng)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，也包括濱洲線下行興安嶺隧道、陽(yáng)安線銀平山隧道、寶成線寺婭河隧道等鐵路隧道。檢測(cè)主要采用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)法，實(shí)施檢測(cè)時(shí)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(cè)線，同時(shí)沿隧道軸向每隔10 m布置一條環(huán)向測(cè)線，測(cè)線布置方式如圖3所示。圖1地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖Fig.1 Sketc

18、h 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(wú)損檢測(cè)圖如圖 2所示。圖3地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置Fig.3 Survey line arrangements of GPR檢測(cè)隧道的襯砌類(lèi)型有早期修建的單層襯砌，也有后來(lái)修建的復(fù)合式襯砌，隧道檢測(cè)段圍巖級(jí)別主要為IIV級(jí)，為便于后續(xù)襯砌背后接觸狀態(tài)規(guī)律性的分析，對(duì)各級(jí)圍巖條件下各類(lèi)型襯砌的測(cè)線總長(zhǎng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。9 865里程/m9 8509 8559 860襯砌類(lèi)型總長(zhǎng)度/mVIV級(jí)III級(jí)II單層襯砌19 75016 6308 1904 010復(fù)合式襯砌

19、9 6308 0805 2703 660表1各級(jí)圍巖測(cè)線總長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Table 1 Survey line length statistics under different surrounding rock classifications(a)接觸松散4襯砌背后接觸狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析檢測(cè)鐵路隧道多達(dá) 100余座，每座隧道布置 5 條測(cè)線，獲取了數(shù)量龐大的檢測(cè)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 Microsoft Visual Basic 6.0程序語(yǔ)言地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)后續(xù)處理系統(tǒng)F

20、DD(following data disposition)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)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(cè)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(duì)不同圍巖級(jí)別、不同位置以及不 同襯砌類(lèi)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(cè)數(shù)據(jù)分析各級(jí)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(zhǎng)度占測(cè)線總 長(zhǎng)度比例情況如圖 46所示。2121 %0 8 6 4 2 0 1Q Q Q Q Q a例

21、比的度長(zhǎng)總to線CW占?？偘】v0201 02 0(a)單層襯砌34560000 V級(jí)國(guó)巖 IV級(jí)躺號(hào)B 皿 II皴圍著70>0 5 0 5 o 5 0 3 2 2 1 1 o o多例比的度長(zhǎng)總0 V皴國(guó)署n iv m口 ii繳圍著5 .g徑向尺寸區(qū)間/m(b)復(fù)合式襯砌圖5拱腰位置接觸松散狀況統(tǒng)計(jì)圖Statistical diagrams of loose contact states in41.21.2徑向尺寸區(qū)間/m外例比的度長(zhǎng)總線測(cè)W度心41 o o O1.00.80.60.4(a)單層襯砌0.20.2% 1.41.4 i-0.0段次級(jí)圈巖_ IV巳皿綴糊-1 ni«ra

22、例比的度長(zhǎng)總 普端毒01總級(jí)方- OUTTTJ三包三匚三丁一I茴v鰻圍描 口附纏耐 自皿ItWH 口 ii繳圍著80 >80 -7070o60 -5050o40 -3O徑向尺寸區(qū)間/m(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 contact states in vault%例比的度長(zhǎng)總,5q線測(cè)再度長(zhǎng)扃向縱,5 2 2 110 %0 V教螂t IV ffl皿級(jí)國(guó)巖no O >80 -Z670605040 -coo徑向尺寸區(qū)間/m5040 -cooj -二 80-ho-mo徑向尺寸區(qū)間/m(a)單層襯砌% 0

23、.50.5 r多例比的度長(zhǎng)總 /線測(cè)宙度長(zhǎng)思向縱 o o o O000345000徑向尺寸區(qū)間006700圍著/m(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 Statistical diagrams of loose contact states in arch feet對(duì)各級(jí)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Aw-/ 2150.5 0.6 U.7 0月校向尺,J 7m芝屋三五5一 X遍區(qū)要一套七BY擬合曲線X)5 0 5 0 5 o 5 o o 4 3 3 2 2 I I-別列于表2, 3中

24、。在不同類(lèi)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(jí)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 contact states behind single shell lining圍巖 等級(jí)拱頂拱腰拱腳均值/標(biāo)準(zhǔn)變異m 差/m系數(shù)c均值/標(biāo)準(zhǔn)變異m差/m系數(shù)£均值/標(biāo)準(zhǔn)變異m 差/m系數(shù)仃V0.4700.2240.4780.4420.

25、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Table 3 Radial dimension statistical characteristics of loosecontact states behind composite lining圍巖 等級(jí)拱頂拱腰拱腳均值/

26、m標(biāo)準(zhǔn)差/m鈣系數(shù)WB/m標(biāo)準(zhǔn) 差/m鈣系數(shù)qm m標(biāo)準(zhǔn)差/m鈣系數(shù)aV0.3810.1630.4270.3570.1300.3630.3040.0750.246IV0.3600.1380.3830.3330.1040.3140.2770.0600.215III0.3270.1030.3150.3100.0840.2720.2700.0540.199II0.2930.0760.2610.2920.0710.2440.2560.0480.187 V組批頂* V鎮(zhèn)報(bào)胺-+- V懾拱腳 級(jí)批頂 綴拱版擬合曲線1V。xcwACT拱頂V5.220.440.275.850.13IV1.490.360.32

27、9.270.16拱腰V0.500.440.319.750.16IV1.390.380.3811.950.19拱腳V2.010.410.368.750.18IV0.620.370.3710.220.18擬合曲線所對(duì)應(yīng)的參數(shù)(a)單層襯砌y =y。1y°xcwAa拱頂V2.230.330.359.050.18IV0.090.290.4712.740.24拱腰V 0.380.320.3811.750.19IV1.030.250.4514.380.22拱腳V1.430.270.239.500.12IV1.140.260.259.860.12擬合曲線所對(duì)應(yīng)的參數(shù)(b)復(fù)合襯砌圖7襯砌背后接觸松

28、散區(qū)徑向尺寸分布Fig.7 Radial dimension distributions of loose zones behind tunnel lining復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)背后接觸松散范圍在不同圍巖 級(jí)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(jí)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

29、更大，如 V和IV級(jí)圍巖的拱頂位置，單 層襯砌背后接觸松散的區(qū)段長(zhǎng)度占相應(yīng)圍巖級(jí)別長(zhǎng) 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(shí)光面爆破效果差， 拱部回填不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻摹?3)由對(duì)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(jiàn)， 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，而且松散程度也更為嚴(yán)重。4.2襯砌背后空洞的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析就現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果來(lái)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

30、明顯的變化規(guī)律，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，本文主 要針對(duì)單層襯砌背后空洞的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各 級(jí)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(zhǎng)度占測(cè)線總長(zhǎng)度比例情 況如圖8所示。對(duì)各級(jí)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。% 2.5 2.5 1Fig.8 Statistical diagrams of void characteristics of different locations of single shell linings外例比的度長(zhǎng)總 緩測(cè)9長(zhǎng)當(dāng)制縱0-5m-O >.O -60 )0 50

31、 5 -40 O -30 d -20-o徑向尺寸區(qū)間/m(a)拱頂03020% 1.41.41.21.2% 1.0 日08 由0.8 的0.6 度 0.6 心 Lx,總 0.40.20.20.060在圍巖不同級(jí)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(jí)別的變化幅度變 小。0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 口右 0.7 0.S 0,9役(1句尺'J加(a)擬合曲線圍巖等級(jí)V。XcwA(J拱頂V-0.310.360.3611.030.18IV1.050.340.289.590.14拱腰V0.630.290.3210.6

32、90.16IV1.120.270.2710.130.14拱腳V1.720.250.3010.240.15IV0.680.260.2912.490.15徑向尺寸區(qū)間/m(b)拱腰% 0.80.8 I-(b)擬合曲線所對(duì)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 liningJlfrl:.t1lt1a1A 6 4 2 0 s 外例比的度長(zhǎng)總 演測(cè)占度限總向超30 -2060 -5050 -4040 -30300 >80 -7070 -60徑向尺寸區(qū)間/m(c)拱腳8單

33、層襯砌不同位置空洞特征統(tǒng)計(jì)圖通過(guò)對(duì)隧道襯砌背后空洞分布檢測(cè)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(lèi)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(jiàn)襯砌背后空洞出現(xiàn)比例 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)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(jí)

34、拱頂拱腰拱腳均值/標(biāo)準(zhǔn)變異m差/m系數(shù)q均值/標(biāo)準(zhǔn)變異m差/m系數(shù)£均值/標(biāo)準(zhǔn)變異m m差/m系數(shù)tjV0.3850.2140.5550.3380.1060.3130.3100.0390.126IV0.3620.1470.4060.3110.0600.1930.2950.0260.088III0.3530.1010.2860.2960.0390.1330.2740.0180.066II0.3420.0510.1490.2770.0210.0760.2530.0110.043準(zhǔn)差和變異性存在拱頂一拱腰一拱腳逐漸降低的規(guī) 律，這也主要是由于襯砌在澆筑時(shí)泵送混凝土壓力 不足以及未對(duì)拱部位置

35、脫空區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充注漿等原 因造成的。綜合檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，襯砌背后接觸松散和 空洞段隧道長(zhǎng)度占檢測(cè)總長(zhǎng)度的比例高達(dá)11.56% ,尤其是對(duì)單層襯砌來(lái)說(shuō)更為嚴(yán)重。而對(duì)其成因的分 析則是有效防治病害、進(jìn)而保證運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)。5接觸不良的成因分析及控制對(duì)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(shí)會(huì)危及到運(yùn)營(yíng)安 全，這也是地下結(jié)構(gòu)普遍存在的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，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(gè)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(shí)，通

36、常采用先拱后墻的施工方法，這樣必然會(huì) 出現(xiàn)施工過(guò)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(shí)由于混凝土輸送泵的壓力不足，也會(huì) 造成拱部初期支護(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(yíng)后，由于列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)以及 隧道周邊

37、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(yíng)中出現(xiàn)的病害現(xiàn)象未及時(shí)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(jiàn)，運(yùn)營(yíng)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(shí)也是較難控制的。因此為了減少襯砌背 后的空洞，保持“支護(hù)-圍巖”良好的接觸狀態(tài)， 近年來(lái)重點(diǎn)開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的工作：(1)推行新奧法施工技術(shù)以來(lái)，對(duì)隧道圍

38、巖， 尤其是III級(jí)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(duì)于穩(wěn) 定性較好的地層實(shí)施光面爆破，而對(duì)于穩(wěn)定性較差 的地層則對(duì)圍巖實(shí)行可靠的預(yù)加固，以保證開(kāi)挖過(guò) 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)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(shí)充填空洞，同時(shí)也可控制圍巖的穩(wěn)定

39、性；在鋪設(shè)防水板之前應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)襯砌背后進(jìn) 行全面探測(cè)13,對(duì)發(fā)現(xiàn)的空洞進(jìn)行注漿，直到探測(cè) 滿足要求為止；為保證襯砌背后破碎圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn) 定性，對(duì)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(shí)對(duì)淺埋隧道的 地表沉降控制也至關(guān)重要。(4)在對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道進(jìn)行定期檢查的基礎(chǔ)上，一 方面要對(duì)病害及時(shí)整治，包括結(jié)構(gòu)修復(fù)和襯砌背后 的回填注漿，以及對(duì)圍巖的加固和堵水；實(shí)施對(duì)重 點(diǎn)隧道及地段全面檢測(cè)和關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并 制定相應(yīng)的預(yù)警和報(bào)警指標(biāo)值。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)-

40、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(duì)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(zhǎng)期安全 性的重要保障?？紤]到背后空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(guò)對(duì)100余座鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌背后接觸狀況的檢測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析，可對(duì)我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌 背后接觸狀態(tài)及控制對(duì)策形成如下認(rèn)識(shí)：(1)隧道襯砌背后的松散區(qū)和空洞是普遍存在 的，在檢測(cè)隧道中所占比例高達(dá)11.56%,并且不同隧道的差異性較大。(2)相同圍巖條件下，

41、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(jí)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，通常依拱頂一拱腰一拱腳的順序而逐漸減小。(5)鐵路運(yùn)營(yíng)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(yíng)管理3個(gè)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)(References)：1 王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工

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