作者：张毅
研究不同规模纵向裂缝病害对隧道衬砌结构的安全性影响，这对陈旧铁路隧道的病害整治和安全运营具有十分重要的意义。
国内外不少学者对裂缝病害下隧道结构的安全性进行了研究。张义红、张玉军、李治国、郑佳艳等人采用有限元软件主要研究了同一位置裂缝深度、宽度及角度对隧道衬砌结构受力状态及衬砌承载安全系数的影响。郑阳焱、陈江研究了裂缝对隧道结构承载性能的影响，并对衬砌结构承载性能及安全性进行了评估。Jun等利用降低等效刚度的方法对隧道衬砌结构
裂缝进行了数值分析，并分析了病害位置与病害影响程度的相互关系。Akke通过损伤力学理论对隧道裂缝进行了安全性分析，并研究了衬砌裂缝的发展对隧道安全性能的影响。Yin Jun等采用剪切裂缝模型分析了隧道衬砌开裂对隧道结构安全的影响。ZihaiSHI简化了衬砌和围岩的复杂作用关系，通过弹性有限元分析了衬砌裂缝对隧道结构的安全性影响。
目前对裂缝病害下隧道结构的安全性的研究大多数都是取裂缝单一指标或两个指标，研究裂缝指标变化对隧道衬砌结构安全性影响，而没有很好地考虑裂缝的存在具有空间特性，也没有一个合适的安全性评价标准，很难实现对不同规模裂缝危害进行等级划分。本文以成渝铁路线上某典型铁路隧道为工程依托，借助AN-SYS有限元模拟软件，针对不同尺寸下的纵向裂缝研究，着重分析不同位置、深度、长度裂缝对衬砌结构安全性的影响，揭示不同规模空间裂缝下衬砌结构安全性的变化规律，并在已有公路、铁路隧道衬砌裂缝定性、定量评定标准的基础上，提出了空间裂缝安全性评价标准，对不同规模裂缝危害进行等级划分，并针对不同的衬砌结构裂损情况提出相应的整治措施。
1 工程概况
某隧道建于1982年，为成渝铁路上双线隧道，隧道总长570 m，目前已服役运营32年；该隧道具有这一时期修建隧道的典型特征，采用混凝土衬砌，部分区段为包含防水层的复合式衬砌，跨度大。通过对该隧道调研和检测，从现场初步检查情况看，隧道存在纵向、环向及斜向裂缝，其中以纵向裂缝为主；衬砌裂缝测量结果表明，裂缝长度大致分布为1.5～7 m，深度从几厘米到几十厘米均有分布，裂缝宽度相对较小，为3 mm左右。
2 计算模型建立
本文采用荷载结构模型法来模拟隧道衬砌与围岩之间的相互作用，以深埋隧道为例，其衬砌荷载结构模式如图1所示，计算模型如图2所示，计算参数如表1所示。对隧道衬砌结构进行验算时，选取拱顶、拱腰、拱脚及边墙共7处截面为检算截面（图3），研究裂缝病害对各检算截面的安全影响程度。
3 裂缝病害下衬砌结构安全性分析
3.1 计算工况设计
基于现场检测结果，衬砌裂缝共取4种不同深度，共取5种裂缝长度，并选取拱顶及拱腰部位进行数值模拟分析。
3.2计算结果分析
根据《铁路隧道设计规范》规定：根据材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力，然后与结构实际内力进行比较，即可得截面的抗压（抗拉）强度 安全系数K。最后检查所得的安全系数是否满足《铁路隧道设计规范》所要求的数值。计算衬砌拱顶及拱腰存在不同尺寸裂缝下衬砌各截面的安全系数，下面对不同尺寸裂缝下拱顶及拱腰关键截面安全系数变化进行回归分析。
3.2.1拱顶裂缝下衬砌结构安全性分析
1)拱顶产生裂缝时，衬砌结构安全系数表现为对称分布，裂缝对裂缝所在区域衬砌截面的安全性危害最 大，对其它部位影响相对较小。拱顶截面安全系数随着裂缝深度增加变化最为显著，其它部位安全系数随着裂缝深度增加变化不大。尤其是当拱顶裂缝的深度由0.2h变为0. 4h时，拱顶的安全系数下降最为明显，可见裂缝深度0. 4h对衬砌结构安全性的影响要比0.2h时大的多，更值得关注。裂缝深度超过0. 4h时，随着裂缝深度的增加，截面安全系数变化不大，但是衬砌承载能力还是在不断下降的；且在裂缝深度为0. 6h时，截面安全系数已降到1.0以下，为保证衬砌结构安全，裂缝深度不宜超过0. 6h，为防止裂缝进一步发展，此时可采取嵌 钢拱架加固，并联合网喷混凝土进行结构补强。
2)当裂缝长度一定时，随着裂缝深度的增加，拱部安全系数降低显著；当裂缝深度一定时，随着裂缝长度的增加，拱部安全系数降低缓慢。由此可以发现，相对裂缝长度来说，裂缝深度对拱顶安全系数的影响要大多。
3.2 .2拱腰裂缝下衬砌结构安全性分析
1)拱腰裂缝作为非对称病害，导致衬砌结构安全系数均表现为非对称分布，且拱腰裂缝对拱腰区域衬砌结构安全系数有较大的影响，对其它部位影响可以忽略不计 ；当裂缝长度一定时，随着裂缝深度的增加，拱腰截面安全系数出现先减小后略增大再迅速减小的趋势，在裂缝深度小于0. 4h或大于0.6h时，拱腰截面安全系数降低比较明显，裂缝深度尺寸越大，截面安全系数降低幅度越大，且在深度为0. 75h左右时拱腰截面安全系数降到1.0以下。可见裂缝深度为0. 4h和0.75h对截面安全系数影响较大，为保证隧道结构安全，拱腰裂缝深度不宜超过0. 75h。
2)当裂缝深度一定时，随着裂缝长度的增加，拱腰安全系数降低缓慢，相对裂缝深度来说，裂缝长度对拱腰安全系数的影响要小得多。
3)由图6~9可知，对于拱顶产生裂缝，当裂缝深度为0. 4h，长度为1m时，截面安全系数降到1.42，低于危险截面安全系数‘“3 3.6；对于拱腰产生裂缝，当裂缝深度为0. 8h，长度为1m时，截面安全系数才降到1.08，低于危险截面安全系数3.6；可见拱顶裂缝引起的截面安全系数降低幅度明显大于拱腰裂缝，拱顶裂缝存在时衬砌结构的极限承载深度比拱腰裂缝要短的多，所以拱顶裂缝对衬砌结构的危害程度要比拱腰裂缝大的多。
4 裂缝下衬砌安全性评价标准建立
运营铁路隧道安全性评价的指标是在对隧道内病害充分了解下进行选取的，为了使所选取的评价指标具有足够的代表性并更好地反映运营铁路隧道的安全状态，根据科学性原则、相对完备性原则、简捷性原则、相对独立性原则、层次性原则、简明性和可操作性原则六项原则，结合本文数值模拟结果及已有的研究成果和《公路隧道养护技术规范》，筛选出评价裂缝病害下铁路隧道安全状态的评估指标为裂缝长度和宽度、深度、裂缝产生的位置以及裂缝的发展性。
对于衬砌裂缝长度和宽度的判定，在我国《公路隧道养护技术规范》中给出了定量标准，对于裂缝的发展性，我国《公路隧道养护技术规范》（征求意见稿）还提出了裂缝发展速率；但对于衬砌裂缝位置和深度的判定，目前还鲜有研究，我国《公路隧道养护技术规范》中，也只是给出了衬砌裂缝深度的检测方法，未给出其判定结果。现场检测结果及已有成果表明纵向裂缝主要分布在隧道拱顶和拱腰，所以本文主要考虑拱顶和拱腰位置裂缝。在建立裂缝安全性评价标准时，结合《公路隧道养护技术规范》及《公路隧道养护技术规范》（征求意见稿）和《铁路桥隧建筑物劣化评定标准一隧道》的相关规定，以及本文衬砌裂缝长度和深度数值模拟分析结果，建立考虑裂缝产生位置的，以衬砌裂缝宽度、长度、深度以及裂缝的发展性为评价指标的、定量评价和定性评价相结合的四级评估标准，对不同规模裂缝危害进行等级划分，并针对不同的衬砌结构裂损情况提出相应的整治措施，如表3所示。
5结论
1)裂缝对裂缝附近区域结构的安全性危害最大，对其它部位影响相对较小，且拱顶裂缝对衬砌结构的危害程度要大于拱腰裂缝。
2)裂缝附近截面安全系数随着裂缝深度增加而下降显著，但裂缝长度对截面安全系数影响相比深度影响要小得多，可见裂缝深度对隧道结构安全性危害要比长度大的多。
3)基于不同规模裂缝下隧道结构安全性分析结果并在已有公路、铁路隧道衬砌裂缝定性、定量评定标准的基础上，提出了空间裂缝下衬砌结构安全性四级评估标准，实现裂缝病害对衬砌结构安全性影响的合理评估。
6摘要：基于现场检测结果，针对隧道衬砌裂缝病害，借助ANSYS有限元分析软件，采用荷载一结构法建立含纵向裂缝的隧道计算模型，考虑拱顶和拱腰部位裂缝，分析不同长度、深度裂缝对衬砌结构安全性影响大小，并总结不同规模裂缝下衬砌结构安全性的变化规律。结果表明：裂缝对裂缝附近区域结构的安全性危害最大，拱顶裂缝对衬砌结构的危害程度要远大于拱腰裂缝，且裂缝深度对衬砌结构安全性影响较裂缝长度更为显著，最后在此基础上提出了空间裂缝下衬砌结构安全性评判标准，对不同规模裂缝危害进行等级划分，为隧道相应的病害整治提供了依据。
