公路隧道鋼筋混凝土套拱加固結(jié)構(gòu)受力監(jiān)控量測與分析

索然緒, 蘇臣宏, 鄧 彬

(西安公路研究院, 陜西西安 710065)

[定稿日期]2017-10-16

我國早期修建的公路隧道，由于地形、地質(zhì)、氣候條件和早期設(shè)計理念、施工水平以及運(yùn)營過程中諸多因素的影響，公路隧道在運(yùn)營過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的病害，如襯砌裂損、隧道滲漏水、基底下沉和底鼓等。對部分鐵路和公路隧道病害的調(diào)查表明，70 %的隧道出現(xiàn)了襯砌裂損的現(xiàn)象,占整個隧道病害的40 %左右[1-2]。當(dāng)隧道二次襯砌破損范圍或裂縫較大，襯砌承載力不足，安全系數(shù)偏低或不滿足規(guī)范要求時，需要提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時要解決滲漏水病害時，套拱是最為行之有效的方法，它不但可以提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載力，還能一次性徹底解決滲漏水等病害問題。套拱加固雖然也存在局部凈空侵限的缺點，但是套拱方案經(jīng)濟(jì)、施工時間較短、不用中斷交通，且對圍巖無擾動。

目前國內(nèi)外公路隧道鋼筋混凝土套拱加固實施項目較少，針對鋼筋混凝土套拱加固研究多采用室內(nèi)模型試驗[3-8]和理論分析[13-15]，缺乏實際工程結(jié)構(gòu)受力監(jiān)控量測。本文結(jié)合安康市石泉縣S316上的長安壩隧道鋼筋混凝土套拱加固工程監(jiān)控量測情況，對鋼筋混凝土套拱的受力特性進(jìn)行分析。

1 工程概況

長安壩隧道位于安康市石泉縣境內(nèi)G316上，隧道全長344 m，凈寬10.5 m，凈高5.0 m，2001年建成通車。隧道為雙向兩車道，隧道凈寬10.5 m，凈高5.0 m。目前該隧道主要病害為襯砌滲漏水及襯砌裂縫較嚴(yán)重，尤其是縱向裂縫發(fā)育，供配電系統(tǒng)老化，燈具損壞，消防設(shè)施缺失。

根據(jù)竣工圖地勘資料，該隧道縱斷面沿線圍巖分布有Ⅱ、Ⅲ類兩種。隧道穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化泥砂巖，碎塊結(jié)構(gòu)，遇水呈泥狀，巖石中節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理壁面平直閉合，有少量地下水，開挖后自穩(wěn)能力極差。最大埋深60 m，隧道進(jìn)出口均存在大段落淺埋，且出口偏壓較嚴(yán)重。

長安壩隧道二次襯砌厚度較薄，且為素混凝土襯砌，計算安全系數(shù)局部不滿足設(shè)計要求；洞頂存在空洞、脫空及不密實23處，總長度48.2 m，脫空最大深度18 cm，最長2 m；縱向、斜向裂縫分布較多，且縱向縫連續(xù)貫穿多板襯砌，局部滲漏水嚴(yán)重，縱斜向裂縫與施工縫組合非常危險，故對隧道進(jìn)出口淺埋偏壓范圍采取全斷面花管注漿加固圍巖，然后全隧道施作鋼筋混凝土套拱措施，套拱采用25 cm厚的C25鋼筋混凝土(圖1、圖2)。

圖1 長安壩隧道鋼筋混凝土套拱施工

圖2 長安壩隧道鋼筋混凝土套拱

2 監(jiān)測方案

目前國內(nèi)尚無鋼筋混凝土套拱加固監(jiān)測方面的規(guī)范，因此本項目參考JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，并依據(jù)本項目的實際情況，制定了監(jiān)測方案。監(jiān)測項目包括混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力和套拱與二次結(jié)構(gòu)直接的接觸壓力。監(jiān)測元件均采用鋼弦式傳感器，此類元件具有較高的精度和可靠度，且受現(xiàn)場各種干擾小，可長期有效地工作[9-11]。套拱監(jiān)測元件布置如圖3所示，圖中T1～T11為壓力盒，N1～N9為混凝土應(yīng)力計，GW1～GW9為鋼筋應(yīng)力計。

圖3 套拱監(jiān)測元件布置

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 套拱與原二襯之間法向接觸壓力

從圖4可以看出，鋼筋混凝土套與原二襯之間的法向接觸應(yīng)力隨時間增長由快到緩，最后趨于穩(wěn)定的整體趨勢。

圖4 套拱與原二襯之間法向接觸壓力時態(tài)曲線

(1)鋼筋混凝土套拱兩側(cè)基底壓力基本保持不變，且數(shù)值較小，這說明鋼筋混凝土套拱自重并未全部由兩側(cè)基底部位承擔(dān)，兩側(cè)基底部位只是承擔(dān)了相對較小的豎向荷載。

(2)鋼筋混凝土套拱拱頂部位套拱與原二襯之間法向接觸壓力隨時間逐漸增大，在6個月內(nèi)增長幅度較大，6個月后增長幅度變緩，12個月后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)鋼筋混凝土套拱隧道墻腳部位、起拱線處和拱肩部位套拱與二襯之間法向接觸壓力在7個月內(nèi)逐漸增大，且增長幅度較大，7個月到12個月法向接觸壓力逐漸減小，12個月后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)鋼筋混凝土套拱與原二襯之間法向接觸壓力隧道時間變化較為緩慢，各個部位的法向接觸壓力在6～7月后基本開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)鋼筋混凝土套拱與原二襯之間法向接觸壓力值均小，最大值僅為0.15 MPa,出現(xiàn)位置在隧道拱頂環(huán)向偏右2.8位置處，這說明套拱與原二襯之間法向接觸壓力較小。

(6)鋼筋混凝土套拱與原二襯之間法向接觸壓力相差不大，各個最大值之間最大相差0.15 MPa。

(7)鋼筋混凝土套拱對原二襯徑向臨空面產(chǎn)生了一定反向壓力，改變了原二襯結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。但由于圍巖和原二襯變形非常小，套拱對原二襯產(chǎn)生的反向壓力也較小，而原二襯承受荷載較大(原二襯結(jié)構(gòu)縱斜向較多)，因此將二襯與套拱整體受力考慮的計算模型與實際結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)存在較大差異，需要進(jìn)一步修正或重建。

3.2 套拱混凝土應(yīng)力

從圖5可以看出，鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力變化趨勢較為簡單，隨時間變化由快到慢，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 套拱混凝土應(yīng)力時態(tài)曲線

(1)套拱混凝土應(yīng)力較小，均以壓應(yīng)力為主，最大值僅為5.66 MPa,位于套拱拱頂環(huán)向偏右5.6 m處，且遠(yuǎn)小于C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(28.0 MPa)。

(2)套拱混凝土各個部位應(yīng)力變化趨勢較為一致，在6個月內(nèi)混凝土應(yīng)力逐漸增大，且增長幅度較大，6～7個月后增長幅度變緩，在12個月后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)各個部位混凝土應(yīng)力較為均勻，各個部位最大值相差3.05 MPa。

(4)鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力均較小，因此可以認(rèn)為套拱混凝土承受的荷載較小。

3.3 套拱鋼筋應(yīng)力

鋼筋應(yīng)力如圖6所示，“-”表示鋼筋處于受拉狀態(tài)。從圖6可以看出，鋼筋混凝土套拱內(nèi)鋼筋應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，應(yīng)力變化趨勢較為簡單，隨時間變化由快到慢，最后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 套拱鋼筋應(yīng)力時態(tài)曲線

(1)套拱內(nèi)鋼筋應(yīng)力均較小，且均以拉應(yīng)力為主，鋼筋應(yīng)力最大部位為拱頂處，最大值僅為41.1 MPa,遠(yuǎn)小于HRB400鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(400 MPa)。

(2)套拱內(nèi)鋼筋各個部位鋼筋應(yīng)力變化趨勢較為一致，在6個月內(nèi)增長幅度較大，6～7個月后增長幅度變緩，在12個月后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)鋼筋混凝土套拱內(nèi)各個部位鋼筋應(yīng)力值均為均勻，各個部位鋼筋應(yīng)力值最大值相差僅為20.70 MPa。

(4)鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋應(yīng)力較小，因此可以認(rèn)為作為鋼筋混凝土套拱主要受力構(gòu)件的鋼筋承受的荷載較小，從而認(rèn)為套拱結(jié)構(gòu)承受的荷載較小。

4 結(jié)論

(1)鋼筋混凝土套拱與原二襯之間法向接觸壓力、套拱混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力均較小，且各個部位壓力值和應(yīng)力值均相差不大，因此可以認(rèn)為鋼筋混凝土套拱承受的荷載較小。

(2)鋼筋混凝土套拱承受的荷載變化時間較長，主要集中在混凝土澆筑后的6個月內(nèi)，6～7個月后荷載增長幅度開始變緩，并在12個月后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因此可以認(rèn)為鋼筋混凝土套拱在混凝土澆筑完成6～7個月后套拱結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)鋼筋混凝土套拱施做完成后，改變了原二襯結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，但套拱結(jié)構(gòu)對原二襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反向作用力較小，同時套拱結(jié)構(gòu)承受的荷載也較小。

(4)由于套拱結(jié)構(gòu)承受的荷載較小，且公路隧道施做套拱后大部分會侵占原隧道建筑限界，因此鋼筋混凝土套拱應(yīng)結(jié)合施工質(zhì)量保證措施設(shè)置套拱厚度，不宜過厚。

(5)目前將計算采用較多的套拱結(jié)構(gòu)受力計算模型，即鋼筋混凝土套拱單獨作為受力構(gòu)件承受較大荷載模型和原二襯與套拱共同作為受力構(gòu)件承擔(dān)較大荷載模型，這兩種模型均與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)存在較大偏差，因此需要根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)受力模型進(jìn)行修正或重建。

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