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(jì)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(gè)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(shí)，需要提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)要解決滲漏水病害時(shí)，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(diǎn)，但是套拱方案經(jīng)濟(jì)、施工時(shí)間較短、不用中斷交通，且對圍巖無擾動(dòng)。

目前國內(nèi)外公路隧道鋼筋混凝土套拱加固實(shí)施項(xiàng)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(yàn)[3-8]和理論分析[13-15]，缺乏實(shí)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(jì)算安全系數(shù)局部不滿足設(shè)計(jì)要求；洞頂存在空洞、脫空及不密實(shí)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(xiǎn)，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(xiàng)目參考JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，并依據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，制定了監(jiān)測方案。監(jiān)測項(xiàng)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(jì)，GW1～GW9為鋼筋應(yīng)力計(jì)。

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(shí)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(shí)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(shí)間逐漸增大，在6個(gè)月內(nèi)增長幅度較大，6個(gè)月后增長幅度變緩，12個(gè)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(gè)月內(nèi)逐漸增大，且增長幅度較大，7個(gè)月到12個(gè)月法向接觸壓力逐漸減小，12個(gè)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(shí)間變化較為緩慢，各個(gè)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(gè)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(jì)算模型與實(shí)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(shí)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(shí)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(gè)部位應(yīng)力變化趨勢較為一致，在6個(gè)月內(nèi)混凝土應(yīng)力逐漸增大，且增長幅度較大，6～7個(gè)月后增長幅度變緩，在12個(gè)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(gè)部位混凝土應(yīng)力較為均勻，各個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)部位鋼筋應(yīng)力變化趨勢較為一致，在6個(gè)月內(nèi)增長幅度較大，6～7個(gè)月后增長幅度變緩，在12個(gè)月后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)鋼筋混凝土套拱內(nèi)各個(gè)部位鋼筋應(yīng)力值均為均勻，各個(gè)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(gè)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(shí)間較長，主要集中在混凝土澆筑后的6個(gè)月內(nèi)，6～7個(gè)月后荷載增長幅度開始變緩，并在12個(gè)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(gè)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(shí)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(huì)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(jì)算采用較多的套拱結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模型，即鋼筋混凝土套拱單獨(dú)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(shí)際受力狀態(tài)存在較大偏差，因此需要根據(jù)實(shí)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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