摘 要：针对现场揭示的运营隧道存在大量拱顶脱空型衬砌厚度不足的情况，采用现场调研、数值分析和现场检测等手段，探明了拱顶脱空厚度不足的力学机制，建立了拱顶脱空型厚度不足力学模型，提出了采用现浇套拱和格构法脱空型衬砌厚度不足整治技术，对整治技术效果进行对比与验证。研究得到：拱顶脱空型厚度不足缺陷与自身弹性模量等力学参数降低以及周围应力重分布有关；基于既有结构承载能力的理念，提出了局部修复隧道结构完整性和恢复承载能力的技术；通过对整治后衬砌结构的受力分析，采用微创修缮格构法技术，基本或完全恢复原设计的承载能力；经现场和实际案例验证，所提技术具有较强的安全性、可操作性和经济性，可在铁路或公路运营隧道中大量应用。
关键词：隧道工程;运营隧道;拱顶;脱空型;衬砌厚度不足;微创修缮;
1 概述近年来，随着交通运输不断发展，中国铁路和公路隧道运营里程在不断增长，从2020年中国铁路隧道统计情况来看[1],目前，中国铁路运营里程达14.5万km, 其中高铁运营里程达到3.7万km, 投入运营的铁路隧道有16 798座，总长19 630 km。而公路隧道总里程达2.2万km[2]。通过对近几年运营隧道检测和调查结果的统计发现，隧道普遍存在拱顶脱空型衬砌厚度不足，该问题实属隧道质量缺陷。虽短时间内隧道仍处于稳定状态，但对于脱空程度较大、厚度较薄情况下，随围岩及材料劣化及周围环境的变化，很可能致较薄衬砌开裂、掉块或脱空上方掉落冲击而影响运营安全，因此必须对隧道空洞进行处治。
针对隧道脱空型衬砌厚度不足，以往进行了一定的研究，并根据缺陷情况给出了相应的整治措施，傅鹤林[3]等通过设置不同工况下的脱空范围，研究了衬砌脱空对运营隧道安全性的影响；王立川[4]等根据“共同变形”的受力计算模型，分析了脱空对隧道衬砌结构承载能力的影响，并从施工实际情况出发，对衬砌脱空防治提出了建议；马伟斌[5]等通过对铁路隧道状态进行评估，对病害类型进行分类，总结出病害整治技术；杨富民[6]等针对铁路隧道衬砌脱空问题，介绍了一种微膨胀注浆材料，现场应用效果良好；高菊茹[7]等通过境内外研究现状总结了隧道病害检测和整治方法，提出了隧道在设计阶段避免病害的方案。
纵观研究现状可知，部分的研究内容针对隧道拱顶较大范围脱空或背后地层空洞等情况，且整治技术多偏向于注浆整治技术，如何针对寻求解决隧道拱顶小范围脱空型厚度不足整治技术是目前运营隧道亟需解决的问题，基于此本文创新性地提出了现浇套拱和格构法2种整治技术，分别研究整治后衬砌结构受力安全性能与效果，以此确定合理的整治技术。
2 脱空型衬砌厚度成因与受力机制2.1运营隧道脱空型衬砌厚度不足统计根据统计资料显示，无论是铁路隧道还是公路隧道，绝大部分的隧道衬砌都存在不同程度的侵蚀，其中拱顶脱空最为严重，直接对衬砌结构的承载能力造成影响。取某线路隧道进行统计分析，该线路隧道缺陷共2 901处，其中拱顶脱空2 320处，占80% ;不密实或欠密实共377处，占13%;欠厚 203处，占7%。衬砌脱空成为隧道施工时最普遍的缺陷，需重点预防。下面通过2个案例对衬砌厚度不足展开说明。
(1)某运营铁路线隧道K1482 770拱顶脱空，衬砌厚度约3 cm, 横向宽4 m、纵向宽3 m, 脱空深度50 cm, 见图1(a)。
(2)某公路隧道左线左右拱腰处ZK21 575～600、ZK21 700～725段，左右边墙处ZK21 750～800段，右线左右拱腰处K21 800～875段，二次衬砌检测厚度均低于设计厚度[11],见图1(b)。
图1 脱空型衬砌厚度不足
2.2缺陷成因分析(1)工艺不到位。目前二次衬砌基本上采用衬砌台车，台车长度有9 m和12 m两种规格，泵送混凝土施工时，一般在台车拱部留有3～4个混凝土灌注孔，现场混凝土灌注工艺不正确是拱部脱空的一个主要原因。比如，当拱部混凝土不连续浇筑时，由于间隔时间过长造成混凝土初凝不流动。
(2)防水板铺设存在问题。当防水板挂点偏少、挂设不牢靠时，在混凝土浇筑时会出现防水板脱落，从而侵占混凝土位置造成空洞的产生。
(3)管理不到位、责任心不强。在实际施工时，施工作业人员未按设计要求作业，没有及时发现空洞的存在，甚至在发现空洞后，怕麻烦，未对它进行凿除并重新修复，给后期列车运营造成安全隐患，同时施工现场的管理人员未做到详细检查，责任心不强，没有及时上报处理。
(4)拱部预埋管及补注浆措施未做到位。在二衬施工完成后，由于混凝土的收缩作用，拱部混凝土与防水板之间必然存在一定空隙，会造成一定程度的脱空，设计已考虑在衬砌混凝土达到设计强度100%时进行压力注浆回填，但部分单位未严格按照这项措施进行，部分隧道注浆管道预埋不到位，没有沿衬砌拱部通长埋设注浆管道并进行有效保护，只埋设竖向短管，导致短管长度不够未能被混凝土充分封堵，使得浆液无法注入产生脱空。
2.3拱顶空洞型厚度不足受力机制隧道周围所承受的荷载较为均匀，当隧道拱顶出现空洞型厚度不足，意味着衬砌自身缺陷改变了衬砌结构的受力服役状态，尤其是改变了周围围岩压力的分布形态，使隧道结构向着受力不利的方向发展，拱顶部位应力重分布进而造成局部应力集中。随着隧道运营时间的增长，拱顶空洞将导致衬砌开裂、渗漏水、偏压等其他二次病害，对行车车辆造成潜在威胁。拱顶脱空型厚度不足受力机制对比见图2。
图2 拱顶脱空型厚度不足受力机制对比
当出现拱顶空洞型厚度不足时，结构物理力学参数发生变化，将其简化为简支梁受均布荷载，见图3,依据材料和结构力学可知，其竖向变形曲线见式(1),跨中位移最大见式(2)。
图3 拱顶脱空型厚度不足力学模型简化
w=qx24EI(l3−2lx2 x3) (1)wc=5ql4384EI (2)w=qx24EΙ(l3-2lx2 x3) (1)wc=5ql4384EΙ (2)
式中：w为变形挠度；q为荷载；EI为抗弯刚度。
由式(1)和式(2)可知，土体截面刚度一致前提下，拱部和仰拱的竖向变形主要由结构和围岩的弹性模量所决定。故在拱顶空洞型厚度不足中，当结构局部受力发生突变或结构自身弹性模量等强度变小时，隧道拱部容易发生较大挠度，进而形成大变形，甚至拱部坍塌等病害问题。
3 整治技术3.1格构法整治技术3.1.1格构法基于新奥法隧道设计中初支格构与围岩共同承担主要荷载的理论，提出格构法整治隧道缺陷的理念与措施。该法的核心思想为：基于隧道各类缺陷层次分明、具备“网格式”处理框架特点的整治思路，本着“重视现有结构、重视现场调查、重视后期观测、区别对待、分级处理、施工迅捷、少扰动、一次到位”整治原则，从隧道缺陷危害、分类、成因分析、结构安全性评定、整治技术、整治效果验收、缺陷预防等隧道缺陷整治各个环节，系统性提出的适用于支护结构断面的单一局部或组合局部缺陷重建或重构加固补强措施。
3.1.2整治技术(1)当衬砌厚度不足时，采用格构法进行整治，能缩短整治处理所需时间，对运营隧道而言也不影响其他时间段通车，具有简便快捷，施工安全可靠的优点，格构法补强示意见图4。
图4 衬砌整治
单位：cm
(2)进行分级分段整治，整治具体步骤：①搭设好作业平台→②开窗凿除→③修复破损防水板并预留注浆孔→④对厚度不足处进行植筋或者布设钢筋网→⑤分层喷射混凝土→⑥在喷射最后一层混凝土前进行孔内注浆→⑦对喷射混凝土表面进行清理和喷涂→⑧分层喷12 cm厚C30纤维混凝土，并在喷射混凝土表面喷涂一层高渗透性、耐久性环氧树脂。施工流程见图5。
图5 格构法修复施工流程
3.2现浇套拱整治技术(1)在实际工程中，出现衬砌厚度不足时，也可采用现浇套拱[12]进行补强加固。现浇套拱处理厚度不足时具有一定的缺陷，不过只要处理得当，仍能加强衬砌结构的承载能力。现浇套拱加固示意见图6。
(2)具体整治步骤如下：①架立格栅钢架→②衬砌背后脱空充填注浆→③凿毛既有衬砌表层→④钻设定位钢筋并绑扎衬砌钢筋→⑤安装预留注浆管→⑥逐段浇筑套拱混凝土→⑦套拱背后空隙纵向注浆→⑧套拱段无损检测。当衬砌厚度不足的面积较小时，可忽略第④步，在原有衬砌结构的钢拱架基础上，直接对衬砌厚度不足处进行充填注浆并施作现浇套拱。施工流程见图7。
上述2种方法均适用于衬砌脱空或衬砌厚度不足时的缺陷整治，当脱空厚度达到25 cm以上时，一般采用注浆填充进行整治，且整治后衬砌结构的整体性能一般能满足实际承载能力需求。
4 整治技术安全性分析目前大多数铁路或公路隧道出现衬砌背后脱空时，一般采用现浇模筑混凝土、喷射混凝土或直接进行充填注浆，这些整治方法虽然很大程度上能解决脱空引起的掉块、衬砌结构承载能力不足等缺陷，但考虑到隧道结构的安全性以及适用性，通常在对空洞进行充填处理后，再对衬砌厚度不足段施作套拱，从而有效提高衬砌结构的整体承载能力，对高速运行的列车提供有效的保障，也从根本上解决了这种缺陷所带来的一系列隐患，为未来隧道缺陷整治提供可行性技术，并结合施工现场实际情况，加快完善隧道衬砌厚度不足所带来的问题。
无论是格构法还是现浇套拱法，在对衬砌结构厚度补强时都可采用，且具有各自的优势。相比于现浇套拱法而言，格构法在对衬砌厚度补强时，能充分利用自身格构式框架特点，通过分层喷射混凝土加施作套拱，能有效缩短实际整治时间，同时对衬砌结构本身扰动较小，于运营隧道而言，更倾向于选择此技术。
4.1工程背景取某运营铁路隧道采用Ⅲ级复合式衬砌，初支厚度为20 cm,混凝土强度为C25,衬砌设计厚度为45 cm,混凝土强度为C40,无钢架及钢筋钢架。本隧道设计内轮廓限界为时速200 km/h客货共线两车道标准设计，设计速度100 km/h,隧道净宽为14.25 m,净高12 m,隧道埋深为35.64 m,上覆土从上往下分别是：杂填土、粉质黏土、砂岩，隧道穿越岩层为砂质泥岩。
4.2格构法技术安全性4.2.1计算原理本次计算采用有限差分法分析软件FLAC3D进行数值模拟，由于FLAC3D软件在前处理存在一定的弊端，所以在进行数值模拟之前，利用有限元软件Midas GTS进行建模并划分网格。通过分析运营隧道二衬厚度不足处理前后衬砌结构应力变化情况，评价2种方法处理后，对衬砌结构安全性等进行综合比较。在数值模拟时，模型边界尺寸一般取3～5倍洞径，本次计算模型尺寸为：长80 m、高80 m、宽30 m。模型前后左右边界的法向方向被约束，底边界固端约束，其中，衬砌和地层均采用实体单元进行模拟，衬砌取弹性材料模型，地层取摩尔-库伦模型，网格模型见图8,计算参数见表1。
图6 套拱加固
单位：mm
计算过程为：进行初始地应力平衡→位移清零→隧道开挖施工及支护→二衬背后空洞模拟→不同方法下空洞的补强处理→提取结果。
将隧道衬砌结构按拱顶脱空范围分为4个工况，每个工况空洞长6 m,宽2 m,厚度随工况发生改变，利用数值分析与计算得到该情况下二次衬砌的最大与最小主应力云图。工况见表2。
4.2.2计算结果分析按工况3空洞范围对衬砌结构进行受力分析，取衬砌结构整治前后最大与最小主应力云图进行对比分析，见图9和图10。
各工况下衬砌结构补强见表3。
FLAC3D中规定最大与最小主应力均是受拉为正，受压为负。通过对衬砌补强前后应力云图分析：补强前最大主应力为0.031 MPa,补强后为0.028 MPa,最大主应力降低10%,且衬砌结构受拉；补强前、后最小主应力分别为0.169 MPa、0.168 MPa,补强后衬砌结构最小主应力几乎未发生变化，衬砌结构受压。各工况下衬砌最大与最小主应力均小于C40混凝土强度设计值1.71 MPa(抗拉)、19.1 MPa(抗压)。
通过对空洞补强前后的应力值进行对比，发现相比于补强前，补强后衬砌结构的最大与最小主应力均有一定程度的减小。且空洞范围越小，整治后最大与最小主应力减小程度越大，说明针对小范围衬砌厚度不足，利用该方法整治效果更好。经彭跃[10]等研究发现：当空洞范围较小时(小于0.5 m)对其影响不大，本次数值模拟的是小范围空洞对衬砌结构的影响，基本验证了彭跃等结论。
图7 套拱加固施工流程
图8 三维实体模型
表1 计算参数
|
类别 |
重度kN/m3重度kΝ/m3 |
弹性模量MPa弹性模量ΜΡa |
泊松比 |
黏聚力kPa黏聚力kΡa |
内摩擦角(°)内摩擦角(°) |
|
素填土 |
21.0 |
5.0 |
0.15 |
0.0 |
28.0 |
|
粉质黏土 |
19.6 |
11.0 |
0.30 |
10.8 |
31.7 |
|
砂岩 |
24.9 |
1.8×103 |
0.25 |
974.0 |
41.8 |
|
砂质泥岩 |
25.6 |
1.7×103 |
0.22 |
750.0 |
36.5 |
|
初期支护 |
25.0 |
2.8×104 |
0.20 |
/ |
/ |
|
二次衬砌 |
25.0 |
3.3×104 |
0.20 |
/ |
/ |
|
C30喷射混凝土 |
25.0 |
3.0×104 |
0.20 |
/ |
/ |
|
C40模筑混凝土 |
25.0 |
3.3×104 |
0.20 |
/ |
/ |
表2 计算工况
|
工况 |
脱空厚度/cm |
|
工况1 |
10 |
|
工况2 |
15 |
|
工况3 |
20 |
|
工况4 |
25 |
图9 衬砌最大主应力云图
单位：Pa
图10 衬砌最小主应力云图
单位：Pa
表3 应力对比
MPa
|
工况 |
最大主应力 |
最小主应力 | ||
|
补强前 |
补强后 |
补强前 |
补强后 | |
|
工况1 |
0.033 |
0.029 |
-0.180 |
-0.174 |
|
工况2 |
0.035 |
0.033 |
-0.174 |
-0.171 |
|
工况3 |
0.031 |
0.028 |
-0.172 |
-0.170 |
|
工况4 |
0.029 |
0.025 |
-0.169 |
-0.168 |
从补强前后应力对比表3可以看出：小范围厚度不足对二次衬砌结构强度影响不大，不过，为了列车运行时安全考虑，仍需对衬砌厚度不足处进行补强整治。
4.3现浇套拱技术安全性4.3.1计算原理现浇套拱法计算模型与格构法类似，均采用地层-结构模型，土层与隧道埋深和格构法相同，在进行补强计算时，套拱厚度为25 cm, 具体计算参数取值见表1。
4.3.2计算结果分析取与格构法相同的某一工况进行研究分析，通过对衬砌厚度不足处利用现浇套拱补强，补强前衬砌结构最大与最小主应力见图9和图10,补强后衬砌结构的最大与最小主应力见图11。
图11 衬砌主应力云图
单位：Pa
各工况下衬砌结构补强前后最大主应力值与最小主应力值见表4。
表4 应力对比
MPa
|
工况 |
最大主应力 |
最小主应力 | ||
|
补强前 |
补强后 |
补强前 |
补强后 | |
|
工况1 |
0.033 |
0.029 |
-0.180 |
-0.174 |
|
工况2 |
0.035 |
0.032 |
-0.174 |
-0.171 |
|
工况3 |
0.031 |
0.028 |
-0.172 |
-0.170 |
|
工况4 |
0.029 |
0.026 |
-0.169 |
-0.167 |
采用现浇套拱对空洞进行整治后，衬砌结构的整体抗力有所增强，最大与最小主应力明显降低。说明利用现浇套拱法对隧道衬砌厚度不足进行整治是有一定效果的，可以在实际工程中对此类缺陷进行加固补强。
补强前后衬砌结构最大与最小主应力均小于C40混凝土的强度设计值1.71 MPa(抗拉)、19.1 MPa(抗压)。表明隧道拱顶脱空型衬砌厚度不足对隧道影响不大，采取现浇套拱补强可以消除列车运营时掉块风险和其他安全隐患。
4.4两种方法安全性和经济性对比两种方法补强前后最大与最小主应力变化见图12。
通过图12分析补强前后应力值变化，发现空洞经格构法处理后的应力值与现浇套拱法相差不大，经两种方法处理后，衬砌结构受力显著减小，格构法在对空洞进行整治时，由于是分层喷混凝土，导致在实际施工时，比模筑混凝土更加简便，可操性强，且能实时反映浇筑质量。当采用模筑混凝土进行填充时会出现视角盲区，导致浇筑不到位，造成一定的安全隐患和风险。
(1)在经济成本上：格构法施作的套拱厚度仅为10 cm, 隧道套拱厚度根据病害严重程度而定，一般为25～35 cm[14],数值模拟时所取套拱厚度为25 cm, 相比较采用格构法更节省材料。除此之外，格构法喷射混凝土强度为C25,而现浇套拱法采用模筑混凝土，混凝土强度为C40。相比较采用格构法能有效降低材料成本，经济性较好。
图12 各工况下衬砌结构补强前后 最大与最小主应力变化
(2)对运营的影响：格构法耗时较少，对运营隧道而言，影响较小；采用现浇套拱会对运营隧道造成较大影响，不利于现代快速发展理念，因时间造成的经济损失较为严重。整治后效果归纳总结见表5。
表5 整治技术效果对比
|
对比参数 |
格构法修补 |
现浇套拱修补 |
|
整治时间 |
短 |
长 |
|
整治费用 |
低 |
高 |
|
对运营影响 |
小 |
大 |
|
安全性 |
好 |
一般 |
由表5可见，采用格构法进行空洞整治，无论是安全性还是经济性，都有一定的优势，现从工程实际案例出发，对格构法整治衬砌厚度不足加以阐述。
5 某运营铁路隧道格构法整治现场验证对于空洞范围较小时，采用格构法整治对隧道影响小，也不会对衬砌结构造成二次破坏，而降低衬砌结构本身的承载能力。通过西南地区某铁路隧道缺陷情况，对格构法进行整治后的效果进行评判。
缺陷情况：K328 569处拱顶二次衬砌厚度不足和衬砌背后脱空严重。目前衬砌凿除边界厚度约10 cm, 整个脱空处纵向最长处约3.10 m、横向最宽处约4.50 m、深约0.5 m。质量缺陷处隧道埋深约20 m, 围岩级别为V级，大拱脚台阶法施工，衬砌为Ⅴ级围岩锚段复合衬砌，衬砌为C45钢筋混凝土，初支背后无明显缺陷，拱顶缺陷见图13。
图13 拱顶衬砌厚度不足现场照片
根据隧道病害整治原则，利用开天窗凿除补强的措施，对二衬厚度不足处进行回填、加固补强。首先开天窗凿除脱空处厚度较薄衬砌，沿原初支轮廓修复破损防水板，防止空洞补强后因防水板破损造成隧道渗漏水等一系列次生病害的发生；在空腔内进行植筋，并合理布置钢筋间距，再对空腔内部喷射C25聚丙烯纤维混凝土，在喷射最后一层混凝土前需完成空腔内注浆；“天窗”范围内喷射完成的混凝土与原衬砌齐平，并在喷射混凝土表面喷涂一层高渗透性、耐久性环氧树脂。整治后效果见图14。
图14 补强后效果
由图15可见，通过对补强后衬砌结构进行地质雷达无损检测，发现采用格构法对隧道衬砌结构整治后，结构达到整体承载能力，并且操作简便，更加安全。经案例分析，格构法采用微创修缮技术，能基本或完全恢复原设计的承载能力，在处理衬砌厚度不足时具有安全保障、操作性强、经济性好、运营影响小等显著优点。
图15 补强前后雷达检测效果
6 结语(1)现场检测揭示目前运营隧道存在拱顶脱空型衬砌厚度不足的缺陷数量较多，相对于背后围岩空洞而言，拱顶脱空型衬砌厚度不足存在威胁更大。
(2)探明了拱顶脱空型厚度不足力学机制，建立了拱顶脱空型厚度不足力学模型，通过变形结果可以发现拱顶脱空型厚度不足缺陷与自身弹性模量等力学参数降低以及周围应力重分布有关。
(3)基于保证隧道整体稳定的前提下，提出了充分利用既有结构承载能力的理念，系统总结了局部修复隧道结构完整性和恢复承载能力的技术及工艺。
(4)通过对整治措施后衬砌结构的受力分析，采用微创修缮技术，基本或完全恢复原设计的承载能力，经数值分析得到2种方法对衬砌结构修复补强均能起到很好作用；但采用格构法对结构影响较小，对补强后整体结构的性能有很大提高，具有显著优势。
(5)通过现场验证，格构法技术具有较强的安全性、可操作性和经济性，可在铁路或公路运营隧道中大量应用。
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