噴射混凝土套拱加固方法的現(xiàn)場測試與分析

蘇臣宏，崔一緯，吳亞磊，王亞瓊

(1.西安公路研究院，西安 710065；2.長安大學 陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，西安 710064)

21世紀以來，我國隧道得到了快速的發(fā)展，隨著時間的推移，隧道的一些病害情況也已經(jīng)慢慢浮現(xiàn)。在隧道的病害中，相對于隧道微裂縫、裝飾物脫落等輕微病害，襯砌開裂、掉塊和大量涌水現(xiàn)象將是導致隧道襯砌結構失穩(wěn)的重要病害因素。目前，對于隧道襯砌裂損范圍較大、穩(wěn)定性較差的情況，噴射混凝土套拱加固技術能把大部分隧道襯砌的病害基本一次性解決[1]。然而現(xiàn)實中套拱加固形式多種多樣，但對套拱加固技術缺乏系統(tǒng)的研究和整理，尤其是噴射混凝土套拱加固技術的研究，嚴重制約了公路隧道噴射混凝土套拱加固方面的推廣及應用，因此，對公路隧道噴射混凝土套拱加固技術的研究具有現(xiàn)實意義。國內外許多學者對噴射混凝土套拱加固方法進行了一系列的現(xiàn)場測試與試驗分析，并取得了一定的研究成果。噴射混凝土套拱加固方法早在20世紀70年代就有相關的報道，以碧雞關隧道為例，文獻[2]通過對噴射混凝土套拱加固效果進行總結，得出素噴混凝土套拱(厚度為2～10 cm)和網(wǎng)噴混凝土套拱(厚度為10～16 cm)兩種加固方法可以分別用來加固一般的襯砌裂損和較嚴重的襯砌裂損。文獻[3]基于室內大型加載設備，對襯砌加固技術進行了大量的室內試驗，研究了不同加固技術對襯砌裂縫擴展的影響。文獻[4-6]通過室內模型試驗，對不同襯砌加固技術進行了室內試驗，研究了不同加固技術襯砌的最終破壞形式、內力分布等情況。文獻[7]在石匣隧道、重慶四角山隧道中，使用噴射混凝土套拱加固方法均取得了良好的加固效果，并對噴射混凝土套拱加固效果進行了分析。文獻[8]通過對不同噴射混凝土套拱加固效果的研究，得出根據(jù)病害嚴重情況可采用不同的噴射混凝土套拱加固措施進行襯砌加固。噴射混凝土套拱加固方法目前已在國內部分病害隧道治理中得到應用，在噴射混凝土套拱加固方法的受力特性方面的研究還較少，為此文中對噴射混凝土套拱的受力特性進行分析，以期提升噴射混凝土套拱加固質量。

1 噴射混凝土套拱加固方法

1.1 隧道襯砌結構加固方法

隧道所處地質環(huán)境的復雜性會誘發(fā)隧道的一系列病害情況，針對不同的病害情況，采取有針對性的維修加固方法是至關重要的[9]。隧道襯砌結構維修加固包括襯砌加固、套拱加固、注漿加固和換拱加固。每種方法所起的作用不盡相同，因此應根據(jù)相應的病害情況，采取相應加固措施[10-13]，加固方法如圖1所示。

圖1 隧道襯砌加固方法

1.2 噴射混凝土套拱加固的適用情況

對于局部裂縫較多、深度較淺、發(fā)展較緩慢、有輕微滲漏水及掉塊的襯砌病害情況，常采用噴射混凝土套拱進行加固。噴射混凝土可以防止襯砌松動，使裂損的塊體能夠緊密接觸在一起，由于噴射的壓力還可以將混凝土填補進襯砌的裂縫中，進一步增加襯砌的整體穩(wěn)定性，提高襯砌的承載能力[14-16]。對于隧道襯砌裂縫較密集，有一定的承載能力，隧道凈空較富余，可采用噴射混凝土與鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和錨固筋相結合的方法，提高套拱的加固能力。

目前噴射混凝土材料種類較多，如混凝土砂漿、鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土和高分子材料水泥等，根據(jù)病害的嚴重程度采用不同的噴射材料能起到不同的加固效果。因此套拱加固方法已成為國內外病害隧道襯砌加固最為有效的處置措施之一。以八里關隧道為例，其加固方案如圖2所示。噴射混凝土套拱斷面施工工藝包括：對全隧道采取全斷面鋼花管注漿加固圍巖，用工序①表示；對套拱施做錨固筋，用工序②表示；對套拱施做格柵拱架，用工序③表示；對全隧道施做噴射混凝土套拱支護措施，用工序④表示。O1、O2和O3分別為套拱外側曲率中心、噴射混凝土襯砌內側曲率中心和外側曲率中心。隧道路面坡度為2%。

圖2 噴射混凝土套拱斷面施工流程圖

2 工程概況

八里關隧道位于316國道漢中市留壩縣姜窩子鎮(zhèn)八里關村南100 m處，八里關四面環(huán)山，植被茂密，地形地貌復雜多樣。八里關隧道為雙向兩車道，隧道全長82 m(里程樁號范圍為235+405～235+487)，屬于短隧道。進口(漢中方向)里程樁號為235+405，出口(留壩方向)里程樁號為235+487，洞身支護為曲墻式。隧道凈寬10.5 m，凈高5.0 m。隧道于2001年建成，迄今已運營16 a。其隧道結構斷面圖如圖3所示。

圖3 八里關隧道結構斷面圖

2.1 地質概況

八里關隧道處在低山區(qū)域，植被發(fā)育。隧道區(qū)內出露地層主要為片巖，局部夾石英巖和砂巖。兩側山坡底部均具有松散坡積物覆蓋。斷層位于隧道東側5～15 m，傾向為300°，傾角為40°，屬于小規(guī)模逆斷層。該斷層切割隧道，導致洞身范圍內圍巖破碎。受區(qū)域地質構造影響地層褶皺現(xiàn)象較多，節(jié)理較發(fā)育，一般2～3組，產狀傾向為275°～330°，傾角為40°～60°，節(jié)理發(fā)育密度為3～4條·m-1。

2.2 隧道外觀病害統(tǒng)計

襯砌混凝土存在8條環(huán)向裂縫、21條縱向裂縫及4處滲水，環(huán)向裂縫最長12 m，最大寬度4 cm，累計長度40 m；縱向裂縫最長10 m，最大寬度4 mm，累計長度58 m；襯砌縱、環(huán)向裂縫和滲漏水點較多，施工縫全部開裂，有一處襯砌施工縫處錯臺，最大錯臺高度3.8 cm；襯砌背后存在多處空洞及不密實現(xiàn)象。隧道病害照片如圖4所示。

圖4 隧道病害圖

3 測試方法

由于現(xiàn)場測試是為了了解噴射混凝土套拱的受力情況，因此測試斷面的選擇應考慮圍巖類別、隧道埋深、二次襯砌裂損和隧道滲漏水情況等因素，基于對以上因素的考慮，因此八里關隧道的現(xiàn)場測試選取235+413(以下簡稱413斷面)與235+435(以下簡稱435斷面)兩個斷面進行測試。413斷面與435斷面處圍巖類別皆為Ⅱ類圍巖，413斷面埋深15 m，435斷面埋深37 m。

3.1 原二次襯砌與噴射混凝土套拱之間的接觸壓力的測量

采用智能弦式壓力盒測量原襯砌與噴射混凝土套拱之間的接觸壓力，把智能弦式壓力盒固定在原襯砌與噴射混凝土套拱之間。目的是為了了解二次襯砌對噴射混凝土套拱的壓力值及其分布情況，分析噴射混凝土套拱的受力情況。智能弦式壓力盒的布設位置如圖5所示。T1、T2、T3、T4、T5和T6均為壓力測點編號。

圖5 智能弦式壓力盒斷面布設圖

3.2 噴射混凝土套拱內鋼筋應力的測量

采用鋼筋應力計測量格柵拱架中環(huán)向主鋼筋的應力大小，在鋼筋應力計兩端的凹口處插入鋼筋，然后把兩端的鋼筋焊接在格柵拱架環(huán)向主筋上，實現(xiàn)對鋼筋應力計的固定。目的是為了了解格柵拱架應力的大小，為格柵拱架選型與設計提供依據(jù)；根據(jù)格柵拱架受力狀態(tài)，判斷二次襯砌和噴射混凝土套拱的穩(wěn)定性；了解格柵拱架實際的工作狀態(tài)，保證隧道的整體安全。鋼筋應力計的布設位置如圖6所示。GN1、GN2、GN3、GN4、GN5和GN6均為內側鋼筋應力計測點編號；GW1、GW2、GW3、GW4、GW5和GW6均為外側鋼筋應力計測點編號。

圖6 鋼筋應力計斷面布設圖

3.3 噴射混凝土套拱結構內部應力的測量

將埋入式應變計直接安裝于噴射混凝土套拱中，二次襯砌變形引起噴射混凝土套拱的變形，使得應變計由不受力狀態(tài)逐漸過渡到受力狀態(tài)。目的是為了了解噴射混凝土套拱在圍巖和原二襯的作用下，其套拱的應變及應力的分布情況；根據(jù)噴射混凝土套拱所受應力的大小，判斷噴射混凝土套拱的穩(wěn)定性；埋入式應變計的布設位置如圖7所示。NN1、NN2、NN3、NN4、NN5和NN6均為內側埋入式應變計測點編號；NW1、NW2、NW3、NW4、NW5和NW6均為外側埋入式應變計測點編號。

圖7 埋入式應變計斷面布設圖

4 結果分析與討論

4.1 二次襯砌與噴射混凝土套拱間的壓力測試結果分析

從圖8～9中可知，413斷面左拱腰處的接觸壓力的測試值逐漸增大，證明左拱腰處二次襯砌與噴射混凝土套拱間作用力不斷變化，最大值為0.043 MPa；左拱肩處的接觸壓力的測試值較小，呈先減小后增大趨勢，在第580天時最大值為0.012 MPa，證明左拱肩處的接觸壓力變化較?。挥夜凹缣幍慕佑|壓力的測試值為整個斷面的最大壓力值，為0.113 MPa，說明該處二次襯砌呈變形狀態(tài)，其值有變小趨勢；右拱腳的接觸壓力前期為負值且壓力較小，最大值為0.027 MPa，隨著時間推移，壓力值先增大后減小，接觸壓力的變化趨勢趨于穩(wěn)定，二次襯砌和噴射混凝土套拱間作用力趨于穩(wěn)定。左拱腳處的接觸壓力值較小，變化不明顯。

圖8 413斷面二次襯砌與噴射混凝土套拱間的應力時態(tài)曲線圖

圖9 413斷面二次襯砌與噴射混凝土套拱間的應力分布圖

另外從圖9中可看出,隧道左側接觸壓力值與右側接觸壓力值呈現(xiàn)不對稱分布，主要體現(xiàn)在左拱肩和右拱肩，左拱腰和右拱腰兩處，反映出了圍巖的復雜性、二次襯砌結構受力的不均勻性和其裂損嚴重性。

從圖10～11可知，435斷面處各測點處的接觸應力均呈現(xiàn)增大趨勢，變化趨勢較緩慢，但有時會出現(xiàn)變小趨勢。

圖10 435斷面二次襯砌與噴射混凝土套拱間的應力時態(tài)曲線圖

右拱腳處的接觸壓力值最大，最大值為0.341 MPa，說明該處的圍巖巖性較復雜，變形較大，導致二次襯砌隨之變形較大。右拱腳、右拱腰和左拱腳、左拱腰處受力較大，受力基本呈對稱分布，說明該斷面拱腳、拱腰處的圍巖巖性較復雜，變形較大，導致二次襯砌隨之變形較大；左右拱肩受力較小，變化不明顯，證明左、右拱肩處后方的圍巖和二襯隨時間發(fā)生較小的位移變化，進而對噴射混凝土套拱產生較小的作用力。左拱肩和右拱肩處的接觸壓力值有時為負值，壓應力值隨著時間不斷變化，因此噴射混凝土套拱所受的作用力不明顯。由于混凝土隨時間收縮、膨脹，以及襯砌對壓力盒的作用力，壓力盒出現(xiàn)負值。

圖11 435斷面二次襯砌與噴射混凝土套拱間的應力分布圖

兩斷面處二次襯砌對噴射混凝土套拱的壓力值在不斷變化，但變化幅度很小，增大趨勢也比較緩慢，表明在施做噴射混凝土套拱后，噴射混凝土套拱隨時間變化其承載能力越顯著。同時所測量的接觸壓力會出現(xiàn)負值現(xiàn)象，證明此時壓力盒呈受拉狀態(tài)，表明此處二次襯砌對套拱的作用力可視為0，證明二次襯砌沒有再次受背后圍巖的影響而產生變形。

第一斷面(413斷面)最大接觸壓力為0.113 MPa，第二斷面(435斷面)最大接觸壓力為0.341 MPa，第二斷面接觸壓力明顯大于第一斷面，因此可以得出隨著隧道埋深增加，二襯對噴射混凝土套拱的作用力就隨之增加。

襯砌與套拱間接觸壓力分布圖與現(xiàn)場埋設元件所在斷面原襯砌病害情況，如圖12所示，由圖12可知，斷面受力情況與原襯砌裂損狀況有關，襯砌裂損越嚴重，該部位的接觸壓力就越大。

圖12 接觸壓力與原襯砌病害對比圖

4.2 噴射混凝土套拱格柵拱架鋼筋應力測試結果分析

格柵拱架413斷面各測點的鋼筋應力的時態(tài)曲線如圖13所示。由圖13可知，格柵拱架413斷面的主筋只承受壓力不承受拉力，格柵拱架的內環(huán)主筋應力最大值位于右拱腰GN5處，應力為-66.7 MPa；外環(huán)主筋應力最大值位于左拱腳GW1處，應力為-65.9 MPa。各測點鋼筋應力值基本呈現(xiàn)逐漸增大趨勢且增大趨勢逐漸減小，處于受壓狀態(tài)，各測點鋼筋應力計變化都已基本呈現(xiàn)變緩狀態(tài)，右拱腳GW6處鋼筋應力呈現(xiàn)先增大然后又有所減小趨勢，其他各測點基本呈逐漸增大趨勢。

圖13格柵拱架413斷面各測點的鋼筋應力的時態(tài)曲線圖

Fig.13Temporal curve of steel bar stress at each measuring point at the 413 section of grid arches

格柵拱架413斷面各測點的鋼筋應力分布如圖14所示。由圖14可得，格柵拱架的內環(huán)主筋應力較大值位于右拱腰GN5處和右拱肩GN4處，應力分別為-66.7 MPa和-46.1 MPa；外環(huán)主筋應力較大值位于左拱腳GW1處、左拱腰GW2處和右拱肩GW4處，應力分別為-65.9 MPa、-61.8 MPa和-46.4 MPa。比較內外環(huán)主筋受力情況可發(fā)現(xiàn)右拱腳(GN6、GW6)、左拱肩(GN3、GW3)和右拱肩(GN4、GW4)受力性質和時態(tài)變化形式基本相同。其余位置受力性質和時態(tài)變化形式有些差異，這種不同主要反映了圍巖體與二次襯砌的變形不均勻導致格柵拱架的受力復雜化。

圖14格柵拱架413斷面各測點的鋼筋應力分布圖

Fig.14Distribution map of steel bar stress at each measuring point at the 413 section of grid arches

格柵拱架435斷面噴射混凝土套拱鋼筋應力時態(tài)曲線如圖15所示。由圖15可知，格柵拱架435斷面的主筋只承受壓力不承受拉力，格柵拱架的內環(huán)鋼筋應力最大壓應力值位于右拱腳GN6處，應力為-75.3 MPa；外環(huán)鋼筋應力最大壓應力值位于右拱腳GW6處，應力為-79.8 MPa。因此混凝土套拱軸向受力情況主要為受壓。

圖15 格柵拱架435斷面噴射混凝土套拱鋼筋應力時態(tài)曲線圖

格柵拱架435斷面各測點的鋼筋應力分布如圖16所示。由圖16可知，格柵拱架435斷面受力較對稱。各測點鋼筋應力值基本呈現(xiàn)逐漸增大趨勢且增大趨勢逐漸減小，處于受壓狀態(tài)，除了右拱肩GN4處鋼筋應力先呈現(xiàn)增大然后又逐漸減小并趨于穩(wěn)定。證明除了右拱肩內環(huán)鋼筋應力有所降低外其他各部位的鋼筋應力都趨近于穩(wěn)定。

圖16 格柵拱架435斷面各測點的鋼筋應力分布圖

兩斷面的鋼筋應力測試結果表明噴射混凝土套拱確實承擔了一部分圍巖作用力，若不施做噴射混凝土套拱，二次襯砌將持續(xù)承受全部的圍巖變形壓力，二次襯砌變形也會隨之加劇而發(fā)生嚴重破壞。同時兩端面各測點鋼筋應力值基本呈現(xiàn)逐漸增大趨勢且增大趨勢逐漸減小，說明噴射混凝土套拱起到的支撐能力越來越明顯，支撐能力隨時間變化基本趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

另外第一斷面(413斷面)最大鋼筋應力為66.7 MPa，第二斷面(435斷面)最大鋼筋應力為79.8 MPa，第二斷面鋼筋應力明顯大于第一斷面，因此，可以得出隨著隧道埋深增加，二襯所受到的破壞就越嚴重。

4.3 噴射混凝土套拱應力測試結果分析

噴射混凝土套拱413斷面應力時態(tài)曲線及環(huán)向分布如圖17～18所示。由圖17～18可知，套拱413斷面各測點的應力值均為負值，幾乎都以壓應力為主；左拱腳、左拱腰、左拱肩、右拱肩和右拱腰處的噴射混凝土套拱應力絕對值隨時間變化而逐漸增加，但應力絕對值的增加速率隨時間而減小。套拱右拱腳內側應力絕對值先增加后減小，在第308 天處出現(xiàn)峰值，證明在此之后噴射混凝土套拱應力有所回調，這種變化反映了噴射混凝土套拱整體的受力情況與套拱自身所受的外力變化情況有關。

對比內、外兩側應力的環(huán)向分布圖，其變化趨勢幾乎相同，但其應力大小卻有所差異，外側偏大，內側偏小，此現(xiàn)象表明套拱自身承載能力沒有完全發(fā)揮出來。

噴射混凝土套拱435斷面應力時態(tài)曲線及環(huán)向分布如圖19～20所示。

圖17 噴射混凝土套拱413斷面應力時態(tài)曲線圖

圖18 噴射混凝土套拱413斷面應力環(huán)向分布圖

圖19 噴射混凝土套拱435斷面應力時態(tài)曲線圖

圖20 噴射混凝土套拱435斷面應力環(huán)向分布圖

由圖19～20可知，套拱435斷面內側各測點的應力值均為負值，處于受壓狀態(tài)，外側各測點除了左拱肩為正值受拉外其余各測點均為負值，處于受壓狀態(tài)。內側最大壓應力位于右拱腳，大小為-717.4 kPa，外側最大壓應力位于右拱腰、左拱腳處，分別為-1 003 kPa、-928.2 kPa。最大拉應力位于左拱肩套拱外側，大小為418.2 kPa。與二次襯砌與噴射混凝土套拱間的壓力值分布相比，壓力較大的地方噴射混凝土套拱內力較大，可得出左拱肩背后的二次襯砌越完整，則其對套拱的作用力越小，導致套拱內力變化較小。

對比兩斷面套拱內力測試結果可知，噴射混凝土套拱以受壓為主，隨時間變化套拱內力逐漸增加，增大趨勢逐漸減??；噴射混凝土套拱內力與格柵拱架鋼筋應力變化基本相同，個別地方變化有所差異；并且當二次襯砌與套拱間的作用力為正值的地方，正好也是噴射混凝土套拱內力變化較大的部位，但襯砌與套拱間作用力為負值的地方，套拱存在內應力，因此可證明套拱是一整體受力體，局部受力會把力進行分散，從而達到共同承載的效果。

5 結 論

1) 襯砌與套拱間的作用力整體隨時間變化而增大，但變化幅度很小，增大趨勢也比較緩慢，表明在施做噴射混凝土套拱后，噴射混凝土套拱隨時間變化其承載能力越顯著。且襯砌與套拱間的作用力環(huán)向分布受力不均，局部為負值，表明此處沒有產生作用力，而出現(xiàn)作用力的部位就是原襯砌裂損較為嚴重的部位。

2) 噴射混凝土套拱起到的支護作用越來越大，鋼筋應力大小與套拱所受外力有關，對比襯砌與套拱間的作用力，作用力大的地方鋼筋應力也相對較大。

3) 隨著隧道埋深的增加，二襯所受到的破壞就越嚴重，二襯對噴射混凝土套拱的作用力就隨之增加。

4) 噴射混凝土內力整體呈現(xiàn)逐漸增大趨勢且增大趨勢逐漸減小，噴射混凝土套拱內力以受壓為主，噴射混凝土套拱內力與格柵拱架鋼筋應力變化趨勢及環(huán)向分布情況基本相同，且基本呈對稱分布，這和襯砌與套拱間作用力大小及分布稍有不同；套拱為一整體受力構件，可有效分散外力，使套拱自身內應力分布較均勻。