波紋鋼板加固隧道襯砌的應用研究
——某隧道工程實例分析

葉子健， 劉德華， 宋延旭

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京 100044；2.中路高科交通檢測檢驗認證有限公司， 北京 100088；3.中交路橋科技有限公司， 北京 102400)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國交通基礎設施建設規(guī)模逐漸擴大，高速公路、高速鐵路建設迅猛發(fā)展。由于地質(zhì)條件、設計、施工及運營等方面的原因，隧道病害問題日益嚴重，甚至影響到隧道的正常使用。在滿足交通需求量的同時，保證線路運營的安全就使得對隧道裂縫病害的探究及其整治技術(shù)與方法的研究很有必要。

通過對隧道進行波紋鋼板套拱加固，可以大幅提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載力，國內(nèi)外已有學者對波紋鋼板的力學性能進行了研究。FLENER[1,2]測定不同跨徑的波紋鋼板箱涵結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的應力變化,發(fā)現(xiàn)波紋鋼板加強肋有效減小結(jié)構(gòu)的變形和拱腳應力，提高了箱涵結(jié)構(gòu)的極限承載力。MORRISON[3]提出了對波紋鋼板進行混凝土復合肋包裹加強，可以增大箱涵結(jié)構(gòu)的剛度與抗彎能力。趙豪俊等[4,5]通過試驗和有限元模擬的方式對波紋鋼- 鋼筋混凝土組合橋面板進行了研究，并對組合橋面板的極限承載力、撓度變形以及波紋鋼板的應變等進行了分析。杜鋒濤[6]以漢中市108國道槐樹關(guān)波紋鋼板拱在隧道套拱加固技術(shù)中的應用為例，分析總結(jié)了波紋鋼板拱定位、拼裝的施工方法和加固后的效果。陳望祺等[7]為解決襯砌起層剝落病害問題，提出使用波紋鋼板套襯的襯砌加固方法，并建立了相關(guān)的數(shù)值分析模型。任天宇等[8]為提高既有隧道結(jié)構(gòu)承載力及剛度，對盾構(gòu)隧道襯砌管片進行波紋鋼板加固，分析了加固管片的受力過程、破壞模式以及加固機制，對其加固效果進行了評價。呂高樂[9]采用有限元數(shù)值模擬方法對某波紋鋼拱圈式隧道明洞結(jié)構(gòu)進行受力分析，為該類型隧道明洞結(jié)構(gòu)的應用提供理論依據(jù)。

從以上波紋鋼板的研究來看，對波紋鋼板的研究絕大部分停留在試驗以及數(shù)值模型上，要進一步研究波紋鋼板加固隧道襯砌的方法，根據(jù)施工現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)資料分析其有效性就顯得很有必要。本文以某運營隧道加固工程為例，從施工工藝、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)分析等方面對波紋鋼板應用于襯砌加固的技術(shù)進行了詳細論述。

1 隧道概況及主要病害

本隧道由南北線組成，兩洞凈寬均為7 m，該隧道場地地形屬低山丘陵地貌，隧道洞區(qū)穿越的圍巖主要為微風化的花崗混合巖和未風化巖，局部屬弱風化，分類屬Ⅳ類，局部為Ⅲ類，巖石完整性較好。隧道洞區(qū)內(nèi)在洞身中部遇有巖石裂隙水，水位不穩(wěn)定，巖石裂隙水pH=7.1，屬重碳酸鹽鈣鎂水。巖體為弱透水地層，對混凝土無侵蝕性，對鋼筋有弱腐蝕性。地震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.1g，具體如圖1所示。

根據(jù)檢測報告及現(xiàn)場踏勘，隧道(南北洞)二襯強度、斷面凈空滿足設計要求，目前主要存在以下病害：

第一，襯砌開裂。隧道共發(fā)現(xiàn)裂縫180條，以縱向裂縫為主，環(huán)向次之，斜向裂縫最少，個別段落裂縫密集呈網(wǎng)狀(圖2)。分析其成因是二襯混凝土在澆筑的施工過程中，個別部位振搗不充分時，容易造成混凝土的不密實，而混凝土凝固成型以后，振搗不密實的部位較其他部位的強度較低，導致了該部位的應力承受能力不足，產(chǎn)生裂縫；此外襯砌澆注后易因降溫和混凝土收縮而拉裂，或由于襯砌背后空洞以及混凝土厚度不足引起水平開裂。

第二，襯砌滲漏水。根據(jù)檢測報告和現(xiàn)場調(diào)查，隧道滲漏水現(xiàn)象比較嚴重，共檢測出滲漏水50處，主要表現(xiàn)為施工縫滲水、襯砌裂縫滲水和面滲水(圖3、圖4)。分析成因是排水系統(tǒng)堵塞，導致地下水從二次襯砌滲出，以及施工質(zhì)量差導致裂縫滲漏水。

第三，襯砌厚度不足及二襯脫空。在采用地質(zhì)雷達對隧道襯砌拱頂、左拱腰、右拱腰進行連續(xù)掃描檢測后，發(fā)現(xiàn)部分段落襯砌厚度不滿足設計要求，部分區(qū)域存在二襯脫空情況，存在一定安全隱患。具體病害原因可能是由于在開挖過程中，現(xiàn)場施工測量控制不嚴或誤差，初期支護侵入二次襯砌界限引起襯砌厚度不足；混凝土在澆筑過程中振搗不密實，內(nèi)部存在氣孔、空洞等，上部混凝土澆筑完成后，在自重作用下下沉，在拱部造成空洞。

第四，隧道南北洞部分段落病害嚴重，襯砌板塊存在多處縱向和斜向裂縫且裂縫寬度較大，并伴有滲水發(fā)生，拱頂和側(cè)墻有多處混凝土掉塊現(xiàn)象。主要原因是二次襯砌厚度不足，混凝土澆筑質(zhì)量不高，在地下水的侵蝕、洞內(nèi)行駛車輛震動等作用下產(chǎn)生掉塊。

從以上主要病害情況來看，對于普通病害，采用傳統(tǒng)治理方案即可，然而在多種病害同時發(fā)生的板塊，存在較多橫向、縱向裂縫，混凝土掉塊且滲漏水嚴重。使用噴射混凝土、嵌入鋼拱架等傳統(tǒng)治理方案，有著維修加固時間長、成本高、對結(jié)構(gòu)擾動大等局限，由于這些處理手段的局限性，會導致施工效果不理想。結(jié)合隧道病害情況和實際通行壓力，故采用波紋鋼板套拱加固技術(shù)對該隧道進行加固，避免襯砌結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)剪切、剝離等病害。

2 波紋鋼板施工工藝

2.1 準備工作

首先為波紋鋼板護拱的安裝做準備工作。護拱施工前需拆除相應的照明設施和裝飾瓷磚，對相應段落進行斷面測量，結(jié)合二襯內(nèi)輪廓的實際情況，按要求鑿除部分混凝土，并在襯砌原表面噴涂3道改性乳化瀝青作為防水層。

2.2 基座安裝

首先植入基座鋼筋，澆筑自密實混凝土基座，待混凝土硬化后在其上固定好基底角鋼，角鋼通過錨栓將其與基座和原結(jié)構(gòu)拱腳相連接，如圖5、圖6所示。

2.3 波紋鋼板安裝

所用波紋鋼板為Q 345C波紋鋼板，鋼板厚度為7 mm，在所有波紋鋼板到達施工現(xiàn)場之后，正式開始安裝計劃。首先將需要安裝波紋鋼板的板塊分為8環(huán)，每環(huán)由7塊波紋鋼板組成。之后在隧道口空地前將所有波紋鋼板按長度分為5個型號，將鋼板橫放后，使用電焊將原連接孔位進行擴孔處理，并在空地上人工拼裝拱頂端的3塊波紋鋼板，如圖7所示，再由吊車將拼好的3塊鋼板運往隧道內(nèi)。

單個拱單元采用4+3的方式拼接，即先拼接兩邊拱腳處的2塊波紋鋼板，上邊3塊采用挖掘機的拱形安裝支撐撐起后與下邊的4塊板進行拼接。

在隧道內(nèi)因小挖掘機力量不夠，需用大挖掘機將頂部波紋鋼板抬升上去，在這個轉(zhuǎn)換過程中波紋鋼板存在側(cè)向垮塌的危險，因此在這個過程中小挖掘機必須在側(cè)向?qū)Σy鋼板護拱環(huán)進行支撐，防止波紋鋼板側(cè)向垮塌，如圖8、圖9所示。

通過高強度螺栓實現(xiàn)波紋鋼板之間的連接，為防止安裝完澆筑的時候跑漿，片與片、環(huán)與環(huán)之間加裝密封條。在環(huán)與環(huán)連接后，在波紋鋼板焊縫處涂抹環(huán)氧樹脂防護，以形成側(cè)面封閉區(qū)域。

角鋼上部連接波紋鋼板，在波紋鋼板與角鋼密貼后，將波紋鋼板與角鋼焊接，固定波紋鋼板與基座的連接。在整個板塊8環(huán)波紋鋼板安裝結(jié)束后，使用竹膠板、木條、鋼筋及膨脹螺栓等將波紋鋼板與二襯之間縫隙進行封堵，防止灌漿時出現(xiàn)漏漿情況。

2.4 灌漿

波紋鋼板護拱安裝完畢后，在波紋鋼板護拱與原襯砌之間灌漿。所灌漿料為4～25 cm超流態(tài)型高強微膨脹灌漿料，是一種水泥基自流型微膨脹干粉砂漿，具有早強、高強、自流動和微膨脹等特性。灌漿料凝固后，使原襯砌結(jié)構(gòu)與拱形波紋鋼板結(jié)構(gòu)之間相互作用形成整體的受力體系，并且灌漿料作為混凝土襯砌的延伸，能降低波紋鋼板中的最大應力，延長其使用壽命[10]。由于所灌混凝土量較大，一次性灌漿可能造成應力集中，導致鋼板連接處出現(xiàn)鼓脹破裂現(xiàn)象，故分為2次灌漿。第一次灌漿，混凝土由左右拱腰處焊接的灌漿口灌入，待到漿料至拱腳、拱腰之間時結(jié)束第一次灌漿，等待混凝土凝固。第二次灌漿先由左右拱腰處焊接的灌漿口灌入混凝土，待出漿口溢出后，改為拱頂灌漿口灌漿直至灌滿。確定灌漿灌滿后，在波紋鋼板上噴涂5.5 mm薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，然后在檢修道及人行道以上2.5 m范圍內(nèi)涂裝乳白色油漆裝飾并恢復原先照明與裝飾。

3 波紋鋼板現(xiàn)場監(jiān)測

為了分析波紋鋼板加固作為一種新型的隧道加固方案存在的優(yōu)勢，并總結(jié)波紋鋼板加固方案的加固效果，在施工的同時進行了波紋鋼板相關(guān)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場監(jiān)測，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析，為下一步研究波紋鋼板加固隧道的效應提供參考。

此次現(xiàn)場監(jiān)測主要包括隧道限界檢測和結(jié)構(gòu)應力數(shù)據(jù)監(jiān)測，通常情況下，在施工過程中由于變形及穩(wěn)定性的要求，同樣需要對結(jié)構(gòu)的位移進行監(jiān)測記錄，但由于此次施工過程中因其他原因調(diào)整了施工計劃，在施工與監(jiān)測同步進行的情況下，為了不影響施工工期，只能放棄對位移量的監(jiān)測。

3.1 隧道限界檢測

在波紋鋼板施工結(jié)束后，使用隧道斷面掃描儀直接測取隧道斷面上限界控制點的三維坐標，記錄并分析，結(jié)果如圖10所示。

從圖10來看，所裝波紋鋼板基本貼合隧道襯砌，滿足隧道限界，能保證通車后隧道內(nèi)各種交通的正常運行與安全。與常規(guī)套鋼筋混凝土內(nèi)襯無法利用隧道襯砌凈空相比，使用波紋鋼板既起到加固襯砌的作用，又不會侵入隧道限界。

3.2 應力數(shù)據(jù)采集

應力監(jiān)測采用鋼弦式應變傳感器進行監(jiān)測，將所測波紋鋼板板塊分為2個斷面，其中每個斷面拱腳、拱腰位置左右各1個測點，拱頂布置1個測點。板塊拱腳4個測點，拱腰4個測點，拱頂1個測點，總計9個測點，如圖11所示。

數(shù)據(jù)的監(jiān)測頻率隨工程進度做出相應調(diào)整。首先將應變計黏貼到鋼板上，記錄初始值，在鋼板拱架施工完成后，記錄此時應變的變化值，在灌漿完成后記錄此時的應變值，之后每隔1 h記錄1次應力變化值，直至凝固后數(shù)據(jù)穩(wěn)定。具體情況見表1。

表1 監(jiān)測頻率

此次應力監(jiān)測主要采用表面式振弦應變傳感器，振弦式應變計測量值ε為：

(1)

式中：ε為振弦式應變計發(fā)生的應變；K為振弦式應變計輸出的頻率值與應變的線性關(guān)系系數(shù)，也稱為振弦式應變計的靈敏度系數(shù)，出廠已標定好，單位為1/Hz2；fi為振弦式應變計在i時刻下的頻率值，單位為Hz；f0為振弦式應變計在初始狀態(tài)的基準頻率值，單位為Hz。

3.3 波紋鋼板應力數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測結(jié)束后將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，其中波紋鋼板為Q 345C型鋼，彈性模量為200 GPa。將應變計測得數(shù)據(jù)換算為應力值作為縱坐標，以監(jiān)測時間作為橫坐標，分為拱腳、拱腰與拱頂3個位置各繪制成圖，圖12為拱腳應力圖。

波紋鋼板護拱為壓彎構(gòu)件，圖12所示的4條應力曲線對應圖11測點布置中拱腳4處測點的數(shù)據(jù)變化，由此可看出，在2次灌漿過程中，拱腳處呈現(xiàn)特有受力特點。應力初始變化明顯，在1 h開始初次灌漿，初次灌漿之后的3 h內(nèi)為初凝階段，此階段波紋鋼板首先受到灌入漿料的重力荷載，隨著漿料的灌入，鋼板所受壓力逐漸增大，之后灌漿結(jié)束，在灌漿料凝固的過程中，水分的損失導致鋼板所受應力逐漸下降。第4小時開始第二次灌漿，在第二次灌漿后，拱腳的應力值基本無變化，推測在第二次灌漿過程中，所灌漿料重力基本堆積在拱腰及拱頂附近，并未直接作用于拱腳部位。所灌混凝土漿為超流態(tài)型高強微膨脹灌漿料，雖然灌漿料產(chǎn)生的微膨脹力可使拱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓作用，并充當原襯砌結(jié)構(gòu)與波紋鋼板結(jié)構(gòu)之間的填充部分，但是與灌漿料本身施加的重力影響相比，漿料在凝固過程中因為膨脹所產(chǎn)生的壓力并沒有對鋼板造成太大作用，使得波紋鋼板的拱腳所測應力值在第二次灌漿之后基本無變化。

由圖13中4條拱腰應力曲線可以看出，在1～4 h第一次灌漿后，拱腰處有應力顯示，說明拱腳處灌入的超流態(tài)型高強微膨脹灌漿料在充當原襯砌結(jié)構(gòu)與波紋鋼板結(jié)構(gòu)之間的填充結(jié)構(gòu)時，起到了連接作用，灌漿料產(chǎn)生的微膨脹力對拱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓。在第4小時開始第二次灌漿，拱腰處應力值顯著增大。由于第二次灌漿分為拱腰、拱頂2次灌漿，灌漿持續(xù)時間較長，故從5～9 h內(nèi)應力值仍在上升，并且由于灌入的速度與用量有變化，使得應力有一定的波動，之后隨著第二次灌漿結(jié)束，拱腰和拱腳大致曲線變化相似，灌漿料逐漸凝固，拱腰處的應力逐漸下降并最終穩(wěn)定。

由圖14可以看出，在灌漿之后，拱頂處的應力逐步增大，之后隨著灌漿料的凝固，應力逐漸下降，并最終穩(wěn)定。

4 數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)計算

采用有限元軟件ANSYS建立二維平面應變模型，驗算正截面抗壓承載力，并對襯砌進行強度校核。

4.1 襯砌內(nèi)力計算

根據(jù)實際結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)建立二維平面應變有限元模型。模型中原有襯砌和波紋鋼板組成的組合襯砌由Beam 3梁單元模擬，土體采用Plane 42二維平板單元，錨桿采用Link 1桿單元。表2為圍巖及襯砌材料的相關(guān)參數(shù)。

表2 圍巖及襯砌材料的物理力學指標

在永久荷載+基本可變荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)典型軸力如圖15所示。

由圖15可知，軸力均為壓力，在拱腳、拱腰和拱頂3個部位中，拱頂受壓最小，拱頂?shù)竭厜Φ啄_壓力逐漸變大，拱腳最大壓力為4 660.00 kN。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

在計算出混凝土襯砌的內(nèi)力后，對襯砌的安全性能進行檢查。對襯砌進行強度校核的計算式為：

KN≤αRabh

(2)

式中：N為襯砌某校核截面上的軸力,單位為kN；K為安全系數(shù)；α為軸力偏心影響系數(shù)；b為襯砌截面寬度，單位為m；h為截面厚度，單位為m；Ra為混凝土襯砌抗壓極限強度，單位為MPa。

將現(xiàn)場應力監(jiān)測數(shù)據(jù)換算后，與數(shù)值模擬結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，波紋鋼板結(jié)構(gòu)在應用于襯砌加固時，作用于拱腰與拱頂?shù)膲毫εc模擬結(jié)果中的結(jié)構(gòu)壓力相差不大，但拱腳部分的壓力明顯大于其模擬結(jié)果。

選取拱腳、拱腰和拱頂3個截面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，代入式(2)得出相關(guān)的安全系數(shù)見表3。

表3 監(jiān)測數(shù)據(jù)安全系數(shù)

根據(jù)JTG D70—2019《公路隧道設計規(guī)范》，混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)見表4。

表4 混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)

由表3數(shù)據(jù)與表4數(shù)據(jù)對比可發(fā)現(xiàn)，拱腰、拱頂部位加固后滿足安全要求，但拱腳位置不滿足安全系數(shù)。分析相關(guān)原因可能有：

1)實際施工方法導致監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確。在波紋鋼板到達施工現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)，廠家生產(chǎn)的鋼板精度不夠，與環(huán)螺栓連接孔位誤差較大導致鋼板間無法連接。為了在環(huán)與環(huán)之間連接螺栓，將孔位進行擴孔連接或焊接連接，并切割拱腳處不平整部位，在波紋鋼板與角鋼密貼后，將波紋鋼板與角鋼焊接在一起。采取以上措施之后，多余的螺栓以及焊接連接可能會導致施加在拱腳處的壓力變大，從而被應變計采集到。

2)灌漿速度不穩(wěn)定導致監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確。由于施工工期較短，在不耽誤施工的情況下，應力數(shù)據(jù)監(jiān)測是在波紋鋼板安裝結(jié)束后，與灌漿同步進行的。在灌漿過程中，如果控制不好灌漿速度，短時間內(nèi)灌入漿料過多，會使得波紋鋼板在連接處發(fā)生鼓脹，過量灌漿料堆積于拱腳部位，從而導致采集到的應力數(shù)據(jù)過大,如圖16所示。

5 結(jié)論

本文以某隧道加固工程為例，通過對波紋鋼板護拱應用于襯砌套拱加固技術(shù)的研究以及現(xiàn)場施工過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，主要得到以下結(jié)論：

1)存在較多橫向縱向裂縫、混凝土掉塊且滲漏水嚴重等多種病害同時發(fā)生的板塊，使用波紋鋼板加固技術(shù)，在修復襯砌裂縫的同時，不僅能提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載力，延長隧道的使用壽命，還不影響隧道限界、避免混凝土掉塊對往來車輛的危害，保證行車安全。

2)波紋鋼板施工結(jié)束后，灌漿料凝固，對波紋鋼拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的擠壓作用，并使原襯砌結(jié)構(gòu)與波紋鋼板結(jié)構(gòu)相互作用，形成完整的受力體系。

3)由分析結(jié)果可知，使用數(shù)值模擬軟件能快速、準確模擬分析隧道圍巖開挖支護受力情況，但在實際施工過程中存在數(shù)據(jù)偏差，如拱腳部位實際所受壓力明顯大于模擬結(jié)果。

4)使用波紋鋼板加固后，拱腰及拱頂?shù)陌踩A備滿足相關(guān)規(guī)范要求，但拱腳部位核算后并不滿足安全要求。應加強隧道安全風險較大部位的支護，如拱腳部位及邊墻基座結(jié)合部位，針對重點部位及危險程度，采取可靠的安全防護措施，嚴把施工質(zhì)量關(guān)，預防隧道安全事故發(fā)生。

本文結(jié)合工藝特點、施工步驟以及數(shù)據(jù)分析比對等方面介紹了使用波紋鋼板對隧道襯砌加固的方法。從數(shù)據(jù)分析來看，受鋼板生產(chǎn)精度要求以及實際施工方法等方面影響，拱腳及基座等加固部位受力較大、受力情況復雜，同時由于施工工期較短，缺少位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于波紋鋼板自身結(jié)構(gòu)和受力影響還需要進一步研究。