隧道二次襯砌欠厚整治技術(shù)探究

李 科

(中國(guó)建筑第七工程局有限公司西南公司，重慶 400000)

近年來(lái)我國(guó)隧道建設(shè)取得長(zhǎng)足發(fā)展，數(shù)量和里程不斷增加，截至2015年底，全國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道13 411座、總里程13 038 km，運(yùn)營(yíng)公路隧道14 006座、總里程12 684 km[1]。然而，在隧道建設(shè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，難免產(chǎn)生病害現(xiàn)象[2-5]。二次襯砌厚度不足病害直接威脅隧道結(jié)構(gòu)的可靠性，削弱襯砌結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性[6-8]?；诖?，國(guó)內(nèi)隧道領(lǐng)域?qū)＜壹娂姴捎脭?shù)值模擬、理論分析及模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行相關(guān)研究，如王夢(mèng)恕等[9]采用數(shù)值分析對(duì)纖維布補(bǔ)強(qiáng)地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬；張頂立等[10]對(duì)不同圍巖級(jí)別條件下隧道襯砌背后的接觸狀態(tài)進(jìn)行了分析；王士民等[11]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)漸進(jìn)性破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。本文在國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，以某隧道為研究對(duì)象，對(duì)隧道二次襯砌厚度不足病害整治進(jìn)行較為全面的論述，通過(guò)襯砌質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)合隧道相關(guān)設(shè)計(jì)及施工概況，基于相關(guān)規(guī)范規(guī)程，對(duì)左線和右線二次襯砌厚度不足病害進(jìn)行對(duì)比整治分析，采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)整治前后襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行模擬，得到其內(nèi)力變化以驗(yàn)證整治措施效果，進(jìn)而為隧道病害整治提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道規(guī)模

某隧道主洞凈寬10.25 m、凈高5 m，設(shè)計(jì)通車(chē)速度80 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)。隧道規(guī)模如表1所示。

注：雙洞分離式隧道。

1.2 自然地質(zhì)條件

隧址區(qū)位于甘孜州康定縣，屬四川盆地西緣山地，為盆地到青藏高原的過(guò)渡地帶。隧址區(qū)山脈縱橫，地表崎嶇，由于地殼抬升作用劇烈，遭到強(qiáng)勁的外力剝蝕，在冰川、流水、烈日等因素的作用下，山地切割強(qiáng)烈，形成復(fù)雜多樣的地貌類(lèi)型。

隧址區(qū)大地構(gòu)造上處于揚(yáng)子地臺(tái)西緣次一級(jí)構(gòu)造單元龍門(mén)山、大巴山臺(tái)緣斷褶帶之西南端，西鄰康滇地軸，東接四川臺(tái)拗，西北側(cè)相鄰松潘—甘孜地槽褶皺系。構(gòu)造部位上處于NE向龍門(mén)山斷裂帶和NW向鮮水河斷裂帶及SN向安寧河斷裂帶構(gòu)成的“Y”字形構(gòu)造交匯部位東側(cè)，具體構(gòu)造部位處于龍門(mén)山斷裂帶西南段內(nèi)。主要地層為新生界第四系全新統(tǒng)崩坡積層塊石、第四系全新統(tǒng)泥石流堆積層塊石及元古界晉寧—澄江第四期斜長(zhǎng)花崗巖。

隧址區(qū)地表水主要來(lái)自多條溝渠，溝內(nèi)常年有水且水量較為充沛；地下水補(bǔ)給源主要為大氣降水和地表水直接或間接滲入補(bǔ)給。水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，除溝床漂石、塊卵礫石及水面下強(qiáng)風(fēng)化基巖的含水性和透水性好、地下水豐富外，其余基巖和第四系土層含水性均較差，地下水不豐富。由于地形破碎、切割深度較大，地下水徑流途徑短、水交替循環(huán)快。

1.3 二次襯砌厚度不足病害整治范圍

根據(jù)隧道運(yùn)營(yíng)期間現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，確定二次襯砌厚度不足病害整治范圍為左、右線全段。

2 二次襯砌厚度不足病害統(tǒng)計(jì)

分別于左右邊墻、左右拱腰及拱頂處在隧道左線及右線布置5條側(cè)線，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)二次襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)。其中，左線每條測(cè)線檢測(cè)點(diǎn)為184個(gè)，右線每條測(cè)線檢測(cè)點(diǎn)為146個(gè)。典型現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖及地質(zhì)雷達(dá)圖灰度圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及地質(zhì)雷達(dá)灰度圖Fig.1 On-site detection and geological radar grayscale map

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到隧道橫斷面不同位置處二次襯砌厚度缺陷率，如圖2所示。

圖2 橫斷面不同位置處二次襯砌厚度缺陷率Fig.2 Defect rates of lining thickness atdifferent locations of cross section■—左線；●—右線

由圖2可知：在橫斷面不同位置上，拱頂處襯砌厚度缺陷率最大，由拱頂至拱腳，襯砌厚度缺陷率依次減小。拱腳及邊墻處襯砌厚度缺陷率遠(yuǎn)低于拱頂及拱腰處，本研究只分析拱頂及拱腰處二次襯砌厚度在縱向里程上的變化，分別如圖3、圖4所示。

圖3 左線橫斷面不同位置處襯砌厚度差值在縱向里程上的變化Fig.3 Variations of lining thickness at different locations of cross section of the left line on the longitudinal mileage

圖4 右線橫斷面不同位置處襯砌厚度差值在縱向里程上的變化Fig.4 Variations of lining thickness at different locations of cross section of the right line on the longitudinal mileage

由圖3及圖4可知：拱頂相對(duì)拱腰、邊墻處二次襯砌厚度不足負(fù)差值占比例更大，襯砌的結(jié)構(gòu)特性及模筑混凝土施工工藝使得拱頂處二次襯砌厚度不足病害最嚴(yán)重；橫斷面不同位置處二次襯砌厚度不足差值在縱向里程上的變化亦存在差別。

3 二次襯砌厚度不足病害整治

3.1 病害最嚴(yán)重?cái)嗝媸芰顟B(tài)

二次襯砌厚度不足會(huì)降低襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，降低其強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。隧道為高速公路隧道，若將厚度不足病害嚴(yán)重?cái)嗝嫣幍亩我r砌結(jié)構(gòu)全部打掉、拆除重建，不僅對(duì)隧道內(nèi)交通的正常運(yùn)行造成不利影響，而且會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)成本，若拆除不合理亦會(huì)對(duì)周邊襯砌結(jié)構(gòu)造成破壞。

基于相關(guān)規(guī)范規(guī)程，采取如下措施對(duì)二次襯砌厚度病害進(jìn)行整治：襯砌設(shè)計(jì)厚度與檢測(cè)厚度之差不小于10 cm段，采用套襯加固整治；二者厚度之差在5～10 cm段，采用鋼帶加固整治。分別選取上述2種整治措施下二次襯砌厚度不足差值相對(duì)設(shè)計(jì)厚度最大的斷面進(jìn)行分析，仰拱和拱部厚度均為0.4 m，套襯加固及鋼帶加固整治斷面拱頂二次襯砌厚度分別為0.1、0.32 m。

隧道寬度為10.25 m，所取斷面處圍巖級(jí)別為IV級(jí)，覆土重度為γ=20 kN/m3，依據(jù)《JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，求得IV級(jí)圍巖深埋隧道垂直均布?jí)毫閝=109.8 kN/m3，水平均布?jí)毫Π醋畲笕=33.0 kN/m3。采用ANSYS對(duì)整治前上述斷面襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行模擬，隧道橫斷面共104個(gè)節(jié)點(diǎn)，編號(hào)1～104為仰拱中心經(jīng)右拱腰至拱頂中心、再經(jīng)左拱腰至仰拱中心。套襯加固及鋼帶加固整治前襯砌結(jié)構(gòu)及其內(nèi)力圖分別如圖5及圖6所示。

3.2 確定病害整治措施

3.2.1 套襯加固

整治措施流程如圖7所示。

同樣采用ANSYS對(duì)整治后上述斷面襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行模擬，得到整治前后內(nèi)力變化。為便于計(jì)算，結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用如下假設(shè)：①認(rèn)為圍巖為理想彈塑性材料；②認(rèn)為鋼拱架與噴射混凝土、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)與原二次襯砌結(jié)構(gòu)均黏接性良好，均作為一個(gè)整體共同承載、共同變形。補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的彈性模量計(jì)算：

式中，E為補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的彈性模量；E0為模筑混凝土彈性模量；Sc為模筑混凝土橫截面積；Eg為鋼架彈性模量；Sg為鋼架橫截面積。

圖5 套襯加固整治前襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.5 Diagram of lining and its internal force before liner reinforcement

圖6 鋼帶加固整治前襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.6 Diagram of lining and its internal force before steel strip reinforcement

圖7 整治流程Fig.7 Flow chart of treatments

由上式及上述相關(guān)數(shù)據(jù)，按線性內(nèi)插原則，求得補(bǔ)強(qiáng)后襯砌彈性模量為37.7 GPa。對(duì)補(bǔ)強(qiáng)后襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行數(shù)值模擬，襯砌結(jié)構(gòu)及其內(nèi)力如圖8所示。

對(duì)套襯加固整治前后襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

3.2.2 鋼帶加固

鋼帶加固施工工序如圖10所示。

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)認(rèn)為鋼帶與原二次襯砌結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體共同承載、共同變形；認(rèn)為原二次襯砌混凝土外表面處彈性模量為28 GPa，鋼帶內(nèi)表面處彈性模量為206 GPa。將單位長(zhǎng)度上原二次襯砌混凝土和鋼帶視作單筋矩形截面梁，在圍巖壓力作用下受彎，將混凝土受壓區(qū)與受拉區(qū)交界處截面的彈性模量視為鋼帶與原二次襯砌整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量。

根據(jù)線性內(nèi)插原則，整體支護(hù)結(jié)構(gòu)中心處的彈性模量為88.66 GPa。經(jīng)計(jì)算分析、數(shù)值模擬，鋼帶加固后襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力如圖11所示。

對(duì)整治前后襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。

圖8 套襯加固整治后襯砌結(jié)構(gòu)及其內(nèi)力Fig.8 Diagram of linging and its internal force after liner reinforcement

圖9 套襯加固整治前后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比圖Fig.9 Collation map of internal force of linging before and after liner reinforcement■—套襯加固整治前；●—套襯加固整治后

圖10 鋼帶加固施工工序Fig.10 Construction procedure of steel belt reinforcement

4 結(jié) 論

(1)所有內(nèi)力均在原基礎(chǔ)上有一定程度的增大，且內(nèi)力曲線變化趨勢(shì)一致；但內(nèi)力在隧道橫斷面不同位置變化幅度存在差異。

(2)彎矩在拱腳、拱腰及拱頂處增大明顯，在邊墻處增大較小，在仰拱及墻腳處無(wú)變化；軸力在仰拱、墻腳、邊墻及拱頂處增大明顯，在拱腰處基本無(wú)變化；剪力在邊墻、拱腳及拱腰處增大明顯，在仰拱、墻腳及拱頂處基本無(wú)變化。

(3)拱頂受壓區(qū)范圍擴(kuò)大，這將十分利于襯砌結(jié)構(gòu)的受力。

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圖11 鋼帶加固后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.11 Diagram internal force of linging after steel belt reinforcement

圖12 鋼帶加固前后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比Fig.12 Collation map of internal force of linging before and after steel belt reinforcement■—套襯加固整治前；●—套襯加固整治后

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