（岩土工程专业论文）铁路运营隧道衬砌状态评估体系的建立及工程应用研究.pdf

摘要 基于大量的文献资料和广泛的工程经验利用现场实测数据、理论解析推导和数值计算 等多种研究手段，针对隧道衬砌厚度变化及衬砌后接触条件变化对于衬砌应力状态的影响进 行了全面系统的研究，建立了隧道衬砌状态评估体系及相应的一整套评估方法，并结合具体 的工程实践对本文所得的研究成果加以应用和验证。综观全文，其主要结论如下： ( 1 ) 结合1 0 0 余座铁路运营隧道的现场检测工作，对所得检测资料进行了比较全面的统 计分析和研究，得到了关于隧道衬砌厚度的变化规律、衬砌后接触条件的变化规律以及衬砌 后空洞尺寸参数的变化规律等一系列有意义的结论。 ( 2 ) 根据轴比理论及调和孔的概念，提出隧道衬砌后空洞的最终稳定形状在横断面上为 椭圆，并根据几何关系及力学稳定性分析，在所测得的空洞位置参数和径向尺寸参数已知的 情况下，推导出了空洞环向尺寸参数的计算公式。 ( 3 ) 利用保角变换这个有力的工具，结合复变函数理论在弹性力学中的应用，确定出了 半圆拱直墙洞形的二次应力状态；同时，在边界条件确定的情况下，又进一步推导出围岩的 三次应力状态：同时确定出隧道村砌在相应情况下的应力状态。 ( 4 ) 在考虑隧道开挖面“空间效应”或“开挖面效应”的条件下，推导出了隧道衬砌与 围岩间的变形协调方程，从而实现了围岩二次位移场、三次位移场以及衬砌位移场之问的有 效联系；同时利用数值模拟及现场数据回归分析等方法，探讨了在不同围岩类别、不同施工 方法、不同侧压力系数、不同隧道横断面形状系数、不同隧道埋深以及隧道横断面不同部位 等各个因素影响下位移释放率的变化规律；这样，通过变形协调方程解出隧道衬砌与围岩问 相互作用力的待定参数，从丽实现了隧道衬砌应力状态的完全确定。 ( 5 ) 认为导致隧道衬砌裂损的主要原因为：弯张作用引起拉应力过大导致的隧道衬 砌受拉裂损：剪切作用引起剪应力过太导致的隧道衬砌错台裂损。以此为基础，认为采 用拉应力集中系数和剪应力集中系数这两个指标对隧道衬砌状态进行评估是比较合理的。 ( 6 ) 针对隧道衬砌厚度不足及衬砌后接触非密实的情况分别利用衬砌拉应力集中系数 和剪应力集中系数这两个指标分别进行计算分析，从而明确了隧道衬砌厚度不足或衬砌后接 触非密实这些表观检测结果与村砌内部应力集中程度之间的内在联系，从而为进一步依据隧 道衬砌相关检测结果建立隧道衬砌状态评估体系提供了定量评估基础。 ( 7 ) 在以往多年关于铁路运营隧道衬砌状态评估经验积累的基础上，在吸收已有状态评 估方法及标准优点的基础上，遵照相关隧道状态等级评定的规范、规程，从过去以简单定性 分析、单纯现象分析、经验类比为依据的评估方法过渡到建立采用多种手段获取定量评价指 标的衬砌状态评估体系，实现了从隧道衬砌相关检测数据到隧道衬砌状态评估确定这一系列 应用。 ( 8 ) 通过对槽前坑隧道和佛子凹隧道衬砌状态评估应用的工程实例，进一步验证了本文 所建立隧道衬砌状态评估体系的台理性和可操作性。 关键 司：铁路运营隧道应力状态衬砌厚度衬砌接触条件变形协调方程空间效应应力 释放率衬砌状态评估工程应用 a b s t r a c t b a s e do nv a s tl i t e r a t u r e sa n de x t e n s i v ee x p e r i e n c e s ，t h ei n f l u e n c e so f t u n n e ll i n i n gt h i c k n e s s d e f i c i e n c ya n dc o n t i g u i t yc o n d i t i o nc h a n g eb e t w e e nl i n i n ga n ds u r r o u n d i n gr o c km a s so nt h e l i n i n gs l i e s ss t a t ea r ed e e p l ys t u d i e di nt h en s eo fm a n yr e s e a r c hm e a n s s u c ha si n - s i t um e a s u r e d d a t u m ，a n a l y t i cs o l u t i o na n dn u m e r i c a la r i a l y s i s s oas e to fa p p r a i s a lm e t h o da b o u tt u n n e ll i n i n g s m t ei sc a r r i e do u t ，s o m ea p p l y i n gp m c f i c e st e s t i f yr a t i o n a l i t yo ft h a tm e t h o da n da l s oi n d i c a t ei t s o p e m t i o n a lf e a s i b i l i t y t h r o u g h o u tt h ew h o l ed i s s e r t a t i o n ，t h e ma r em a i n l yc o n c l n s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) c o m b i n e d 州t 1 1i n - s i t um e a s u r e dd a t u mo f o v e r1 0 0o p e r a t i o nr a i l w a ya u m e l s ，t h er u l e so f l i n i n gt h i c k n e s s ，t h ec o n f i g u i t yc o n d i t i o nb e t w e e nl i n i n ga n ds u r r o u n d i n gr o c ki r l a s sa n dt h em d i a l d i m e n s i o no f h o l e sa r ea l s og a i n e da f t e rt h ea n a l y s i so f a b o v e - m e n t i o n e di n f o r m a t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ea x i s - p r o p o r t i o nt h e o r ya n dt h ec o n c e p to fh a r m o n yh o l e ，t h eu l t i m a t e s t a b l es h a p eo ft h eh o l eb e t w e e nl i n i n ga n ds u r r o u n d i n gr o c km a s si se u i p l s ei nt h et r d b s v e r s e s e c t i o n t h e nt h er i n gd i m e n s i o no ft h eh o l ec a nb ed e t e r m i n e db yg e o m e t r yr e l a t i o m h i pa n d m e c h a n i c a ls t a b i l i t yi f t h es i t u a t i o na n dt h er a d i a ld i m e n s i o no f t h eh o l ea b o t l lk n o w n ( 3 ) b yt h eu s eo fc o n _ f o r m a lm a p p i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no fc o m p l e xf u n c t i o nm e t h o di nt h e f i e l do fe l a s t i cm e c h a n i c s t h es e c o n ds u s sf i e l do fr o c ki sd e t e r m i n e d 耽et h i r ds t r e s sf i e l do f r o c ka n dt h es t r e s sf i e l do ft h et u n n e ll i n i n gc a na l s ob ed e t e r m i n e di nt h ec a s eo fe x p l i c i t b o u n d a r yc o n d i t i o n ( 4 ) t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es p a t i a le f f e c to rt h ee x c a v a t i o nf a c ee f f e c td u r i n gt h et u n n e l c o n s t r u c t i o n ，t h ed e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t ye q u a t i o nc a l lb ed e d u c e d t h u st h er e l a t i o na m o n gt h e s e c o n ds t r e s sf i e l d ，t h et h i r ds i i s sf i e l da n dt h el i n i n gs t r e s sf i e l di se s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e ， t h er u l e so fs t r e s sr e l e a s er a t i oa r ed i s c u s s e di nt h es i t u a t i o n so fd i f f e r e n tr o c kc l a s s i f i c a t i o n d i f f e r e n tc o n s u r l c t i o nm e t h o d , d i f f e r e n tl a t e r a lc o e 丘i c i e n t d i f f e r e n t r a n s v e r s es e c t i o nf a c t o r , d i f f e r e n tb u r i e dd e p t ha n dd i f f e r e n ts e c t i o np o s i t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fp u t t i n gm o r e e m p h a s i so nd o m i n a t i n gf a c t o r sa n dl e s se m p h a s i so ns u b o r d i n a t ef a c t o r s ，s t r e s sr e l e a s em t i oi s d e t e r m i n e d t h u s ，t h es t r e s ss t a t eo f t u n n e ll i n i n gi sa l s od e t e r m i n e df i n a l l y ( 5 ) t h e r ea r em a i n l yt w of a c t o r sw h i c hp e r h a p sr e s u l ti nt h es p l i to f t u n n e ll i n i n g o n ei sf l e x a n dt e n s i o na c t i o nw h i c hb r i n g se x t r e m et e n s i o ns t r e s s ，t h eo t h e ri ss h e a ra c t i o nw h i c hb r i n g s e x 扛e 雌s h e a rs t r e s s b a s e do nt h o s e t e n s i o ns t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ra n ds h e a rs t r e s s c o n c e n t r a t i o nf a c t o ra r ct h o u g h ta p p r o p r i a t et oj u d g et h er e a ls t a t eo f o p c r a t i o nt u n n e l s ( 6 ) t e n s i o ns t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ra n ds h e a rs t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ra r eb o m c a l c l l l a t e dw i t ht h ec h a n g eo fd i f f e r e n tt u n n e ll i n i n gt h i c k n e s sa n dd i f f e r e n tc o n t i g u i t yc o n d i t i o n b e t w e e nl i n i n ga n ds u r r o u n d i n gr o c km a s s c o n s e q u e n t l y , t h er e l a t i o n s h i pi se x p l i c i tb e t w e e n t h o s es u p e r f i c i a lp h e n o m e n aa n di n t r i n s i cs t r e s ss t a t eo ft m m e ll i n i n g t h u st h eb a s i so ft u n n e l l i n i n gs t a t ea p p r a i s a ls y s t e mi ss e tu p ( 7 ) o nt h ef o u n d a t i o no f p a s tp r a c t i c a le x p f r i e n e e s ，t h et u n n e ll i n i n gs t a t ea p p r a i s a ls y s t e mi s f i n a l l ye s t a b l i s h e dw h i l ei ti sc o n s i s t e n tw i t he x i s t i n gc r i t e r i o n sa n dr e g u l a t i o n s t h i si n d i c a t e sa t r a n s i t i o nf r o mt r a d i t i o n a lq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n de x p 碰e n c ea n a l o gt oa d v a n c e dq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s t h u st h et u n n e ll i n i n gs t a t ec mn o wb es c i e n t i f i c a l l ya n dl o g i c a l l yr e a l i z e d ( 8 ) t h e 雄i p 糟i s a ls y s 船mw h i c hi se s t a b l i s h e da b o v ei st e s t i f i e dc o r r e c ta n do p e r a t i o n a l l y f e a s i b l eb yt w op r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，o n ei sc h a o q i a n k e n gt u n n e l ，t h eo t l l e ri sf o z i a ot u n n e l k e yw o r d s ：r a i l w a yo p e l 血o nt u n n e l s s t r e s ss t a t et u n n e ll i n i n gt h i c k n e s s c o n t i g u i t y c o n d i t i o nb e t w e e nl j n i n ga n ds u n , o o n d i n gn x km 8d e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t ye q u a t i o n s p a t i a le f f e c t s u s sm l c a s cr a t i o l i n i n gs t a t ea p p r a i s a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 创造性声明 本人声明所呈变的沦文是我个人在导师指导下进行的研究r 作次 听取得的研究成果。j 孓我所知，除厂文中特别加以标注和致射l y , j l 也0 外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得 北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：缒日期：立竺：梦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制下 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 绪论 隧道衬砌状态分为完好、有缺陷和病害三类。隧道衬砌状态完好系指隧道衬 砌结构状态符合设计要求，无任何缺陷或病害；隧道衬砌缺陷是指隧道竣工交付 运营时已存在的可见或隐蔽的质量或使用功能缺陷，主要包括衬砌厚度不足、衬 砌背后回填不密实或有空洞等；隧道衬砌病害是指隧道衬砌在运营期间发生的影 响行车安全或结构使用寿命的劣化状态【l 1 j 。 衬砌裂损是指衬砌表面出现裂纹( 龟裂) 和裂缝( 宽度较大) 或贯通衬砌全部厚 度的裂纹的总称【1 2 j 【l ”。 村砌裂损主要包括张裂、压溃和错台三种类型。 张裂：是由弯曲受拉和偏心受拉引起的裂损。裂缝、裂面与应力方向正 交，缝宽由表及里逐渐变窄。如图1 - 1 ( a ) 所示。 受压区艘 一兰坚一蝉一 ：迹 互矽气 ( a ) 张裂 压溃( c ) 错台 图1 - 1 衬砌裂损示意图 压溃：是由弯曲或偏心受压引起的衬砌裂损。裂缝边缘呈压碎状，严重 时受压区表面产生碎片剥落、掉块等现象。如图1 - l t b ) 所示。 错台：这是由剪切力引起的裂缝。裂缝宽度在表面与深处大致相同，衬 砌在裂缝两侧沿剪切方向有错动，即形成错台。如图1 - 1 ( c ) 所示。 隧道中的衬砌病害问题是一个世界性的工程难题。近年来，日本铁路运营隧 道相继出现了数起危及行车安全的事故，引起了有关部门的商度重视。1 9 9 9 年6 月2 7 日福冈县境内一座隧道边墙上重达2 0 0 k g 的混凝土砸在高速行驶的列车上， 由此日本西铁路公司对山阳新干线上发现的3 7 7 处不安全的混凝土衬砌进行了 加固。日本运输省也要求对全国铁路线上4 8 2 6 座总长3 3 6 0 k m 的隧道进行检查， 日本建设省贝4 对全国3 5 2 9 座公路隧道检查。结果发现6 0 以上的隧道都存在着 不同程度的衬砌裂损。为此，日本政府已向两个研究所提供5 2 0 万美元的经费用 于研究隧道衬砌裂损和其他一些隧道病害的检测评估方法及整治措施1 1 4 h “】。 而我国自1 8 8 8 年春开始建造第一座铁路隧道以来，迄今已有1 1 0 余年的隧 北京交通大学博士学位论文 道修建历史，根据统计，截至2 0 0 2 年底，全路共有运营隧道5 7 1 1 座，共计2 8 3 3 6 3 6 延长米。其中因病害失格的隧道有3 3 8 9 座，占全路运营隧道总座数的6 4 2 。 多年来隧道病害失格率居商不下，隧道衬砌裂损的状况尤其严重，如2 0 0 0 年9 月兴安岭隧道出现衬砌掉块和2 0 0 1 年l o 月达成铁路万山寺隧道出现衬砌大范围 掉块以及2 0 0 1 年1 2 月宝中线清凉山隧道衬砌掉块都险些造成严重的行车事故。 1 9 7 2 年我国铁道部工务局及基建总局对全国2 0 世纪3 0 - - - 7 0 年代在不同地质 ( 坚硬、软岩、黄土) 条件下修建的不同类型( 单心圆拱、三心圆拱、直边墙和曲边 墙、单线和双线断面) 隧道混凝土衬砌裂缝产生的原因进行了调查分析。共调查 隧道9 4 座，总长8 0 7 k m ，约有9 3 2 的隧道衬砌开裂，裂缝长度占隧道总长的 1 9 2 t 17 1 。 刘启琛等抽样调查了8 8 座典型隧道，总长7 8 k m 。其中各种裂缝长度的总和 为3 2 4 8 2 m t 3 。将调查统计的数据按裂缝发展方向进行分类，主要可分为下列三 种：纵向裂缝，斜向裂缝及环向裂缝，如表1 1 所示。 表1 - 1 裂缝种类统计表 l 顺序裂缝类型占总裂缝长度比例 l纵向裂缝7 9 3 2斜向裂缝4 9 3环向裂缝1 4 1 4 拱顶剥落 1 7 经过分析，纵向裂缝对隧道衬砌结构的稳定威胁最大，而且纵向裂缝长度占 总长度的比例也最大。按其发生的部位。又可将村砌裂缝的分布分为拱顶、拱腰、 拱脚和边墙等四个部位。根据统计，其分布的比例见表1 2 。 表l - 2 裂缝分布统计表 顺序纵向裂缝部位占纵向裂缝总长度比例 1拱顶部位3 2 2拱腰部位6 4 7 3拱脚部位1 2 2 4边墙部位1 9 9 从广梅汕的检测资料来看，共检测隧道1 0 5 座，其中京九线7 7 座，漳龙线 2 8 座，经过初步统计，7 0 以上的隧道衬砌均存在着各种不同程度的裂损。其中， 整体式衬砌结构隧道发生裂损里程占总里程的8 5 ；复合式衬砌结构隧道发生裂 损里程占总里程的6 1 。 2 绪论 隧道衬砌病害类型主要包括衬砌变形、衬砌移动和衬砌裂损三种。从上面的 分析中可看出其中衬砌裂损又是最普遍存在的一种隧道衬砌病害现象，同时也是 危害最严重的，因为开裂的产生不仅危及隧道衬砌结构的安全，同时也为渗漏水 提供了直接的通道【1 8 】。总之，隧道衬砌发生裂损后，将对衬砌结构的稳定性造 成不同程度的影响，使衬砌结构的安全性、耐久性降低，严重的衬砌裂损将成为 危及铁路行车安全的大问题。 因此，在发生衬砌裂损后尤其是在裂损情况比较严重的情况下就必然要从养 护、维修上采取一定的工程应对措施，以保证运营安全。当然，这也是一种在衬 砌裂损现象出现之后所采取的被动措施。铁路每年都投入大量的人力、物力和资 金用于运营隧道衬砌裂损等方面的病害整治，但隧道衬砌裂损的状况仍然没有根 本好转。这主要是由于在隧道衬砌裂损机理认识上的不一致性，即没有找出裂损 产生的根本原因必然导致隧道衬砌状态评估及整治措施的主观经验性。因评估诊 断不合理导致整治措旄不当，进而使得隧道衬砌裂损病害的整治效果不理想是目 前隧道衬砌裂损状况无法好转的一个重要原因。 那么，能否在隧道衬砌裂损发生前或是在衬砌仅发生轻微的裂损征兆前，根 据隧道相关检测数据得出相应的隧道衬砌情况，从而进一步确定出隧道衬砌所处 的真实状态。如果可以在隧道衬砌相关检测数据与隧道衬砌状态评估之间建立相 应联系，那么就可以有的放矢地采取相应整治措施，以使衬砌裂损情况的出现尽 量减少。因此，如何建立这样的隧道衬砌状态评估体系就成为了一个急待解决的 问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道衬砌支护理论研究现状 隧道衬砌支护理论的研究分为三个主要阶段： f 1 ) 古典压力理论 2 0 世纪初发展起来的以h a i m a 、r a i l k i n e w j m 和金尼克为代表的古典压力 理论认为【1 9 h 1 。1 2 】：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量，打。其不同之 处在于：h a i m a 认为侧压力系数为1 ，r a n k i n e w j m 根据松散体认为是 t 9 2 ( 4 5 。一缈，2 ) ，而金尼克根据弹性理论认为是u ( 1 一“) 。 ( 2 ) 坍落拱理论 随着开挖深度的增加人们发现古典压力理论在很多方面都有不符合实际之 处，于是又出现了坍落拱理论。这类理论认为，当地下工程埋藏深度较大时，作 北京交通大学博士学位论文 用在支护结构上的压力，不是上覆岩层重量，而只是围岩坍落拱内的松动岩体重 量。普氏理论和t e r - z a g h i k 理论可以作为坍落拱理论的代表1 1 1 3 h 1 1 6 】。 坍落拱理论认为：坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质等有关。普氏理 论认为坍落拱形状为抛物线形，如图1 2 ( a ) 所示，其推求出的坍落拱高度计算公 式为：丘= m 辔f 4 5 0 一詈 式中厂为坚固性系数，对于松散介质：f = 辔妒 对于岩石：f = r ，l o o ( r 为岩石极限抗压强度) 。其他参数的含义详见图1 - 2 所示。 而t e r z a g h i k 理论则认为坍落拱的形状为矩形，如图1 - 2 ( b ) 所示。其推求出 的落拱高度计算公式如下：a ：! 竺k 匕t g ! q y ：量j f 一p - 强噜 。式中世为侧压力 的落拱高度计算公式如下：a = 型i1 一e ”i ) 式中世为侧压力 系数，其他参数的含义详见图1 - 2 所示。 d ( a )斜 图1 - 2 普氏理论和t e r z a g h i k 理论示意图 坍落拱理论的最大贡献是提出隧道周边围岩具有自承能力，对于松散围岩和 深埋隧道应用该理论是比较正确的。但坍落拱理论是相应于当时的支护型式和旅 工水平发展起来的。由于当时的掘进和支护所需的时间较长。支护和围岩之间不 能作到及时密贴，致使围岩最终往往有一部分破坏、坍落。当时并没有认识到围 岩的坍落并不是形成围岩压力的唯一来源，亦即不是所有的隧道都存在坍落拱。 更没有认识到通过及时支护围岩、稳定围岩以充分发挥围岩自承能力。散体压力 理论的另一个不足之处是没能科学地说明坍落拱的形成过程。 ( 3 ) 现代支护理论 l v r a b e e w i c z 在总结前人经验的基础上，于2 0 世纪6 0 年代提出了一种新的 隧道设计施工原则，被称为n a t m ( n e w a u s t r i a n t u n n e l i n g m e t h o d ) 法： 。1 “1 。 n a t m 目前已成为地下工程的主要设计施工原则之一。1 9 7 8 年，m u l l e r 比较 4 一叶 ，i卜l|-1 l 绪论 全面地论述了n a t m 的基本指导思想和主要原则。简单地讲，n a t m 的核心就 是利用围岩具有自承能力来支撑隧道，将围岩本身作为支护结构的重要组成部分 之一，使围岩与构筑的隧道衬砌共同形成为坚固的支护结构。其相互关系可由如 图l 一3 的典型围岩一支护特性曲线表示。 图1 - 3 围岩特性曲线和支护特性曲线 日本的山她宏和樱并春辅等提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为： 隧道围岩的应变随支护结构的增强而减小，而容许应变则随支护结构的增加而增 大叫5 h 1 ”1 。因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变 范围之内。支护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程 的感应系数后确定的。 国内的于学馥教授等人于1 9 8 1 年提出的“轴变论理论认为1 1 2 8 h 13 1 】：隧道开 挖后，围岩的坍落可以自行稳定，可以用弹性理论进行分析，围岩破坏是由于应 力超过岩体强度极限引起的，坍落导致应力重分布，丽应力重分布的特点是高应 力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。 东北大学的郑雨天等人提出了联合支护理论13 2 h 。3 4 1 ，其观点可概括为：对 于支护结构，不能一味强调支护刚度，要先柔后刚，先让后抗，抗让适度，稳定 支护。同时应注意限制围岩发生过度变形。 2 0 世纪5 0 年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑 性及粘弹塑性解答逐渐出现。如h s e h m i d 和r 憾l s 实现了按连续介质力学 方法分析圆形衬砌的弹性解析解。 现有的围岩稳定和围岩压力理论几乎都是建立在已有的力学理论基础之上 的，例如弹性理论、塑性理论、松散介质理论和流变理论等【1 3 5 l , - - f 13 s l ，这些理论 都有一定的假设条件，它虽然与复杂多变的自然地质体之间存在着一定的差异， 但在科学发展的过程中是允许把复杂的条件加以简化和抽象的，并在发展中逐步 提高。因此以上述理论为基础建立的隧道衬砌支护理论远未做到尽善尽美的程 度，有待进一步发展完善。 北京交通大学博士学位论文 1 2 2 隧道结构计算理论的现状 隧道结构计算理论是随着支护理论的发展而发展的，其发展也同样经历了几 个阶段。 最初在古典压力理论和松散体理论的指导下，衬砌结构计算是简单将围岩和 衬砌之间简化为单一的荷载一结构关系。后来有所改进，认识到了围岩在施加荷 载的同时还对衬砌有弹性抗力作用，这是一个很大的进步，从而使得地下结构的 计算理论与地面结构区别开来。 后来人们又认识到围岩和衬砌其实是一个受力整体，因而应用连续介质力学 理论进行衬砌结构的计算的方法得以发展。 按连续介质力学方法g l a m e 得出了在弹性地层中双向等压情况下的围岩应 力场；g k i r s e h 得出了在弹性地层中双向不等压情况下的围岩应力场；而f e n n e r 和h k a s t n e r 则得出了弹塑性地层中的围岩应力场；按b i n g h a m 模型则得出粘弹 塑性地层的围岩应力场。 同样按连续介质力学方法i - i s e h m i d 和r w i n d e l s 得出了计算圆形衬砌的弹性 解；a m m t t i r w o o d 提出了圆形衬砌的简化弹性解：j t a b l o r e 和h k a s t n e r 得出了 圆形洞室的弹塑性解；s s e r a t a 等采用岩土介质的各种流变模型进行了圆形隧道 的粘弹塑性分析【1 3 9 h 1 5 2 1 。 运用衬砌与围岩的共同作用理论来进行隧道结构的计算分析应该说是比较 符合实际情况的。但这必须要以原岩体应力即初始地应力场作为前提条件进行理 论分析，才能把围岩和衬砌的共同变形与支护上的作用力( 围岩压力) 、支护刚度 等各个因素正确地联系起来。否则，单纯按照荷载一结构法的思路假定外荷载进 行计算，就失去了它的真实性，降低了计算成果的科学价值和实用意义。 1 2 3 隧道衬砌结构设计现状 国际隧道协会( i t a ) 在1 9 8 7 年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总 了各会员国目前采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前 采用的隧道支护结构设计方法可归纳为以下四种3 “5 7 】。 ( 1 ) 以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法； ( 2 ) 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法。例如，以洞周位移量测 值为根据的收敛一约束法： ( 3 ) 作用一反作用模型，即荷载一结构模型； ( 4 ) 连续介质模型。 从各国的隧道支护结构设计实践看，目前，在设计隧道的支护结构体系时， l 绪论 主要采用两类计算模型，一类是以支护结构为承载主体，围岩作为荷载同时考虑 其对支护结构的变形约束作用的模型；另一类则相反，视围岩为承载主体，支护 结构则为约束围岩变形的模型。 前者又称为传统的结构力学模型，亦即荷载一结构模型，见图1 - 4 ( a ) ，主要 适用于整体式衬砌结构类型，；第二类模型又称为岩体力学模型。它是将支护结 构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系。故又将之称为围岩一结构模 型或复合整体模型，见图1 4 ( b ) 。 d l p o ( a ( b ) 图1 - 4 地下结构计算模型 1 2 4 围岩稳定性研究现状 隧道衬砌状态的确定主要取决于两大因素；一是衬砌结构外部围岩的变化所 导致的衬砌结构状态发生变化：二是衬砌结构自身内部因素的影响，如衬砌厚度 不足、强度不足、衬砌后接触条件发生变化等导致的衬砌状态发生改变等。因此 隧道衬砌状态的合理确定首先与围岩稳定性分析是密不可分的【1 5 8 16 ”。 国外的霍尹尔、亨得仑和费特等针对孔洞开挖后的围岩破坏形式进行了一系 列模型试验【1 _ 铷6 7 1 。试验表明，模型的破坏部位和形态，在不同的侧压力系数丑 值和不同的洞形情况下是有所变化的。 ( 1 ) 对于2 = 1 的圆形隧洞和直墙拱形隧洞( 矮边墙除外) ，破坏是在隧洞顶部、 边墙和底部同时发生的； ( 2 ) 对于a 1 的圆形隧洞和矮边墙拱形隧洞，破坏首先出现在隧洞两侧中间 部位，先形成挤压裂缝，进而表层逐层脱落，而不出现大块破裂楔体： ( 3 ) 对于五 i c | r n 宽度占) 5 m m ，拱项压渍箍甚) 3 m 2 或衬商 对砌蹙形、移动、下沉拄屉 a a ( 极严重)且变形继续粒展；拱部开裂呈块状剥落蛀大厚度大于衬砌厚 迅速，严重威胁行车安全 有可能掉落度的1 4 危及行车安全。 开裂、错台长度$ m i m 2 ：或有 a i ( 严重)变形速度 v 1 0 r n m 年台值6 ) 5 加n ；开裂或错台使衬瑚呈块 可能掉块 状，在外力作用下有可能崩塌和剥落 开裂或错台长度l & 3 m m i 裂缝有发展但速度不车造成威胁：拱顶压溃范围 v 3 删“年而且有新变形 快 s l m 2 , 剥落厚度丈于3 c m c ( 中等)有变形。但速度v 3 w a n 年开裂或错台值l s m 宽度缸3 唧压溃范围报小 d ( 轻微)有变形，但不发展一般龟裂或无发展状态个别地方被压溃 1 3 存在问题 我国现有铁路运营隧道5 7 0 0 余座，总延长已超过2 8 0 0 k m ，这些隧道的衬砌 结构除8 0 年代后期以来部分是按新奥法基本原理建造成复合式衬砌外，大多数 均是以承受围窘松动压力为主的单层模注混凝土或钢筋混凝土衬砌( 如明洞) a 随 着交通运输事业的发展，今后还将修建更多的隧道，而且长大隧道越来越多。因 此，建立从隧道衬砌相关检测数据到隧道衬砌状态评估这样一个科学合理的评估 体系就理所当然地摆在了必须引起高度重视的位置。 目前，这方面的研究还很不深入，主要存在以下几个方面的问题： f t ) 以前关于隧道衬砌状态的理论分析主要侧重于外部条件，如隧道衬砌周 围地质条件的变化对于隧道衬砌状态的影响等，而针对由于衬砌结构自身的一些 原因，如衬砌厚度不足、衬砌后接触条件变化等因素对于隧道衬砌结构状态影响 的研究则甚少，有的只是将其作为影响隧道树砌结构状态的一个原因，但深层次 的影响作用机理则有待进一步探讨： ( 2 1 利用数值计算方法对隧道衬砌的力学状态进行分析近年来有很大发展， 但数值法有一定缺点，它不能明确表达出各影响因素对于计算结果的影响规律。 由连续介质力学建立地下结构的解析计算公式是一个困难的任务，目前的研究对 圆形衬砌有了定的成果。但对于铁路运营隧道，其洞形绝大多数为非圆形，因 北京交通大学博士学位论文 此，如何利用连续介质力学原理建立具有代表性的非圆形铁路运营隧道衬砌结构 的解析计算公式有待深入研究。 ( 3 1 从隧道衬砌状态的评估来说，衬砌应力场的确定是正确推断衬砌状态的 重要指标，也是最直接、最可靠的途径。而目前多数有关隧道的理论研究多偏重 于对不设衬砌的洞室围岩进行分析研究，也即主要研究了围岩的二次应力场，而 实际上由于衬砌的修建使得衬砌周边围岩进入了三次应力状态，且衬砌在与围岩 相互作用过程中，形成了衬砌应力场。而匿前对于衬砌应力场的确定，尤其是在 考虑衬砌局部厚度存在不足或衬砌后接触条件发生变化等因素对于衬砌及围岩 应力状态变化的影响尚无深入研究。 总之，如何根据隧道衬砌的相关检测数据进而评估确定隧道衬砌状态并相应 选择经济有效的防治和整治措旖是当前隧道病害整治工作中一项非常重要的内 容。由于以往对隧道衬砌相关检测数据与隧道衬砌内在裂损机理认识上的不一致 性导致了对隧道衬砌状态确定的经验性以及整治措施的表面性，从而使得铁路运 营隧道衬砌裂损的整治效果不理想。因此，有必要从围岩的二次应力状态出发， 到衬砌与围岩共同作用下围岩的三次应力状态直至衬砌自身应力状态这三者之 间进行相关问题的深层次理论研究，并结合定的工程实践，从而逐步形成有关 隧道衬砌状态确定的科学评估体系，以达到相应根据评估结果确定合理的养护、 维修和整治措施，以尽量做到从源头上治理隧道村砌裂损病害，达到治标又治本 的目的。 1 4 本文的主要研究内容及技术路线 1 。4 1 主要研究内容 在深入分析及有选择地吸纳现有研究成果的基础上，要建立隧道衬砌状态的 评估体系，本文拟从以下几个方面展开研究工作，其主要内容包括： ( 1 ) 隧道衬砌检测数据的统计分析研究 有关隧道衬砌的现场实测资料是研究隧道衬砌状态的一个重要途径，因为它 是隧道衬砌相应状态的最直接体现，因此根据现场有关隧道衬砌现场实测资料的 分析归纳是建立隧道衬砌状态评估体系最强有力的物质基础。 有关隧道衬砌现场实测资料主要包括隧道衬砌厚度变化情况及隧道衬砌后 接触条件变化情况两大类。分别对其进行统计分析，以得出在不同围岩类别、不 同施工方法以及在衬砌不同部位等条件下隧道衬砌厚度及隧道衬砌接触条件变 化的分布规律。 i 绪论 ( 2 ) 隧道衬砌后空洞的形态分析 在隧道衬砌后存在空洞时，根据检测得到的雷达图像进行解析所得到的数据 仅包括衬砌后空洞的径向尺寸和纵向尺寸，而隧道衬砌后空洞的环向尺寸从现场 一般无法直接测出。而从力学分析上来说，空洞的环向尺寸大小对于隧道衬砌状 态变化的影响更为明显。因此，如何通过检测所得相关参数或其他己知数据推求 出其衬砌后空洞的环向尺寸是本文要研究的一个重要内容。 ( 3 ) 隧道衬砌与围岩应力状态的确定 经典的弹性力学对于弹性地层中图形洞室的应力场和位移场有着较为完善 的计算结果。但是在实际工程中，常会遇到椭圆形洞室、矩形洞室、直墙拱形洞 室等非圆形洞室，对这些洞室进行围岩应力分析可采用复变函数法。本文探讨对 象的主体为半圆拱直墙洞形，因此利用复变函数法确定围岩开挖后半圆拱直墙洞 形的二次应力状态、三次应力状态以及相应的衬砌应力状态是本文的另一个主要 研究内容。 ( 4 ) 考虑开挖面效应的变形协调方程推导 以往的变形协调方程一般假定衬砌的旅做紧跟开挖面“”e j ，即没有考虑开挖 面的空间效应。但在实际情况下，隧道衬砌的施做总是滞后于洞室开挖的，即洞 室开挖后“瞬即”施徽衬砌在实际工程中是不存在的。为了使得分析结果更为合 理，就必须将衬砌施做前所产生的自由位移u o ：j i 以考虑，也即将自由位移在 变形协调方程中有所体现。 ( 5 ) 衬砌厚度变化及衬砌后接触条件变化对于衬砌应力状态的影响研究 出于隧道衬砌存在局部厚度不足及衬砌后接触条件变化等原因使得隧道衬 砌应力状态发生改变，这种改变是衬砌结构变形、裂损甚至是衬砌破坏的内因。 因此研究衬砌厚度及衬砌后接触条件变化对于隧道衬砌应力状态的影响规律是 本文的一个重要内容。 ( 6 ) 隧道衬砌状态评估体系的建立 以前述研究内容作为基础，从而建立隧道衬砌状态的定量评估体系是本文的 核心内容和成果体现。同时拟通过工程实例的应用，以进一步检验所建立评估体 系的科学性及可操作性。 1 4 2 技术路线 针对 三c 上研究内容，确定如图1 - 8 所示的技术路线。 北京交通大学博士学位论文 1 4 l 绪论 1 5 本文的创新工作 n 、结合1 0 0 余座铁路运营隧道的现场检测工作，对所得检测资料进行系统 的分析研究，以得出隧道衬砌厚度、衬砌后接触条件以及衬砌后空洞相关参数的 变化规律。 ( 2 ) 根据轴比理论和调和孔的概念，提出隧道衬砌后空洞的最终稳定形状在 横断面上为椭圆。并根据几何关系及力学稳定性分析，在所测得的空洞位置参数 和尺寸参数已知的条件下，推导出空洞的其他相关参数口，b ，4 ，a 2 及空洞环向尺 寸的计算公式。 ( 3 ) 利用保角变换这个有力的工具，结合复变函数理论在弹性力学中的应用， 确定半圆拱直墙洞形开挖后围岩的二次应力状态、三次应力状态，并相应确定衬 砌的应力场与位移场。 ( 4 ) 在考虑隧道开挖面“时空效应”或“开挖面效应”的前提下，推导隧道衬砌 与围岩的变形协调方程，从而实现围岩二次位移场、三次位移场以及衬砌位移场 之间的有机联系。 ( 5 ) 针对隧道衬砌厚度存在不足及衬砌后接触非密实的情况采用相应的力学 指标进行计算分析，从而揭示出衬砌存在厚度不足或衬砌后接触非密实等情况的 出现与衬砌内部应力状态之间的内在联系。 ( 6 ) 以前述内容作为基础，建立隧道衬砌状态定量化评估体系，并通过工程 实践的应用检验本文所建立的隧道衬砌状态评估体系。 北京交通大学博士学位论文 2 隧道衬砌检测的实测资料统计及分析 2 1 隧道检测概述 2 1 1 所检测隧道工程概况 目前铁路运营隧道的养护维修工作除了正常的秋检之外，还对一些状态较恶 化、急需整治的隧道进行相应的检测评估。本文主要结合1 0 0 余座铁路运营隧道 的检测工作，包括京九线、漳龙线、京广线、陇海线、成昆线、滨洲线、南疆线 等铁路干线及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， 通过对这些隧道相关检测