公路隧道套拱加固施工技術(shù)及受力分析

■雷發(fā)根

（清流縣城市建設(shè)投資服務(wù)中心，清流 365399）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)發(fā)展，交通運(yùn)輸及工程建設(shè)規(guī)模與數(shù)量不斷增長(zhǎng)，而公路隧道作為提升公路運(yùn)輸效率與道路服務(wù)水平的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了非常重要的作用。 截至2020 年底，我國(guó)公路隧道數(shù)量達(dá)到21316 座，已經(jīng)成為隧道建設(shè)最多、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家[1]。 早期公路隧道建設(shè)受到設(shè)計(jì)水平、施工技術(shù)、運(yùn)營(yíng)環(huán)境等因素影響，現(xiàn)有隧道襯砌結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)破損、開(kāi)裂、滲水等較嚴(yán)重病害，給公路隧道的運(yùn)營(yíng)安全埋下了隱患[2]。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者已經(jīng)就隧道襯砌病害成因及發(fā)展規(guī)律方面開(kāi)展了大量的調(diào)查分析研究[3-5]，并針對(duì)不同的襯砌病害類(lèi)型給出相適應(yīng)的處治措施[6-8]。 為了進(jìn)一步完善既有公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害處治方法，確保公路隧道運(yùn)營(yíng)安全，本文依托福建省某隧道病害治理工程，根據(jù)隧道襯砌雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)了病害類(lèi)型及數(shù)量，并針對(duì)病害特征提出相應(yīng)的加固處置措施； 同時(shí)采用MIDAS/GTS 有限元軟件對(duì)襯砌斷面進(jìn)行受力分析，并給出結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)，為公路隧道加固和類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

1 工程背景

福建省某隧道工程隧道區(qū)屬構(gòu)造——?jiǎng)兾g丘陵地貌，植被發(fā)育，自然邊坡較穩(wěn)定，自然坡度25°～35°，山嶺呈近南北向，山脊（頂）渾圓狀。 進(jìn)口處地面高程305～310 m，出口處地面高程260～265 m，隧道軸線最大海拔標(biāo)高560 m，進(jìn)口段自然坡度25°～40°，出口段自然坡度15°～30°。 隧道場(chǎng)址區(qū)未見(jiàn)有影響的滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)、巖溶等不良地質(zhì)作用。 但斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，受構(gòu)造影響，隧道圍巖級(jí)別較低。洞體圍巖級(jí)別以II～I(xiàn)V 級(jí)為主，進(jìn)出口處和構(gòu)造通過(guò)地段為V 級(jí)。

2 隧道病害處治

2.1 襯砌病害統(tǒng)計(jì)與分析

隧道運(yùn)營(yíng)期間由于受到前期施工水平、地質(zhì)環(huán)境、后期養(yǎng)護(hù)等因素影響，將逐漸出現(xiàn)襯砌裂損、滲水、掉塊等病害，其中裂損病害尤為突出。 根據(jù)該隧道病害段調(diào)查結(jié)果可知，病害段范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)二次襯砌混凝土出現(xiàn)橫縫3 條，總長(zhǎng)9.7 m；縱縫7 條，總長(zhǎng)57.2 m；斜縫1 條，總長(zhǎng)3.5 m；混凝土剝落且剝落周邊混凝土松動(dòng)1 處； 拱頂空洞1 處， 深度為20 cm，二次襯砌厚度約為2～4 cm，隧道空洞現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 隧道拱頂空洞現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)隧道主要病害情況可知：（1）隧道裂縫病害主要集中在隧道實(shí)測(cè)襯砌較薄處，其原因可能是受前期施工水平影響，混凝土在硬化過(guò)程中水分逐漸蒸發(fā)散失，在受到圍巖和模板的約束時(shí)變形產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生裂縫并進(jìn)一步發(fā)育；（2）隧道襯砌與初支之間存在脫空現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)的不均勻接觸會(huì)導(dǎo)致緊密狀態(tài)發(fā)生變化，從而改變外部荷載的傳力路徑，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的承載能力，其原因可能是由于二次襯砌澆筑時(shí)泵送壓力控制不良，從而造成拱頂部的混凝土密實(shí)度不足，最終導(dǎo)致襯砌發(fā)生掉塊情況。

2.2 襯砌加固措施

根據(jù)該隧道工程襯砌病害情況并結(jié)合原設(shè)計(jì)方案，考慮實(shí)際施工安全性、可操作性與經(jīng)濟(jì)性，在確保不降低隧道結(jié)構(gòu)的安全性和功能性的條件下，針對(duì)二次襯砌欠厚情況給出不同加固措施。

2.2.1 套拱嵌入鋼支撐加固

當(dāng)二次襯砌厚度不足原設(shè)計(jì)的1/2 時(shí)， 建議采用模筑套拱方式作為加固措施。 主要施工技術(shù)要點(diǎn)有：（1）襯砌鑿除要求。 鑿除襯砌宜采用機(jī)械切割，對(duì)欠厚范圍內(nèi)開(kāi)鑿、植筋鉆孔時(shí)要注意觀察，若有發(fā)現(xiàn)混凝土突然出現(xiàn)大量裂縫或松動(dòng)情況及時(shí)停止鉆孔、安排施工人員撤離，并通知技術(shù)人員進(jìn)行機(jī)械排險(xiǎn)；（2）工字鋼架立要求。 邊墻工字鋼架立前對(duì)拱腳處進(jìn)行人工整平處理，清除底腳的虛渣及雜物； 工字鋼成環(huán)后應(yīng)檢查其于原襯砌貼合情況，若有空隙應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠或聚合物砂漿填補(bǔ)；各單元鋼支撐由工字鋼、連接板焊接成型，焊接采用全周邊角焊，焊腳高度不小于6 mm；（3）澆筑要求。 空洞及防水板外露修補(bǔ)模板宜固定于支架上，必要時(shí)可以利用臨時(shí)鋼支撐固定，保證有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性；套拱澆筑時(shí)模板應(yīng)在原襯砌伸縮縫及沉降縫處斷開(kāi)；模板安裝時(shí)應(yīng)注意模板的縫隙，必要時(shí)用止?jié){片、止?jié){條堵漿；澆筑前應(yīng)在每段工字鋼背后預(yù)留1～2 處注漿管，澆筑完成后進(jìn)行注漿，注漿完成后封堵； 縱向澆筑可按沉降縫或施工縫分段，豎向澆筑最高不應(yīng)超過(guò)3 m； 分層澆筑時(shí)嚴(yán)禁破壞不銹鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)應(yīng)外露20 cm。

2.2.2 粘貼鋼帶加固處治

對(duì)于二次襯砌厚度1/2B≤D≤3/4B （B 為二次襯砌設(shè)計(jì)厚度，D 為二次襯砌實(shí)測(cè)厚度）的段落，欠厚處易導(dǎo)致二次襯砌脫落掉塊等嚴(yán)重問(wèn)題，建議采用粘貼加固措施進(jìn)行處治。 主要施工技術(shù)要點(diǎn)有：（1）施工前準(zhǔn)備：鋼帶應(yīng)對(duì)襯砌表面打磨（深度2～3 mm）， 必須完全露出新面， 并用壓縮空氣吹除粉塵，然后將襯砌表面清理干凈；錨固螺栓安裝應(yīng)先探測(cè)混凝土中鋼筋分布情況，螺栓環(huán)向間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作適當(dāng)調(diào)整，通過(guò)錨栓將鋼板錨固于二次襯砌上，預(yù)留注漿間隙；（2）鋼帶粘貼過(guò)程：對(duì)螺栓固定的鋼帶用結(jié)構(gòu)膠封邊，預(yù)埋灌膠嘴（環(huán)向間隔0.5～1 m 設(shè)置）、出氣孔；壓力注漿應(yīng)按從下至上的順序進(jìn)行，并保證注漿壓力持續(xù)、緩慢、均勻，保證注漿密實(shí)度；待鋼帶施工完成后，再用環(huán)氧樹(shù)脂膠漿封面，環(huán)氧樹(shù)脂膠封面應(yīng)涂刷均勻，色澤與周?chē)炷帘３忠恢隆?鋼帶粘貼方案典型斷面如圖2 所示。

圖2 鋼帶粘貼加固斷面

2.2.3 襯砌脫空病害處治設(shè)計(jì)

襯砌脫空缺陷將影響結(jié)構(gòu)受力形態(tài)，且對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道存在較大的安全隱患。 對(duì)于襯砌脫空的段落，建議采用注漿加固措施進(jìn)行處治。 主要施工技術(shù)要點(diǎn)有：（1）根據(jù)檢測(cè)確定的范圍進(jìn)行鉆孔（鉆孔個(gè)數(shù)可根據(jù)脫空面積大小決定，排氣孔應(yīng)置于最上方位置）、埋設(shè)注漿管，待注漿管固定后注水泥漿，漿體固化后割除注漿管并進(jìn)行表面封堵；（2）鉆孔過(guò)程采用的設(shè)備應(yīng)根據(jù)檢測(cè)脫空范圍的二次襯砌厚度設(shè)置有效的定位裝置， 防止鉆孔過(guò)程中鉆破防水板。 砌防水板外露及空洞處理如圖3 所示。

圖3 襯砌防水板外露及空洞處理示意圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定，深埋隧道的整體式襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算宜采用荷載結(jié)構(gòu)法，因此， 本文采用MIDAS GTS NX 有限元分析軟件，根據(jù)襯砌破損尺寸、圍巖等級(jí)及實(shí)測(cè)襯砌厚度情況選取計(jì)算斷面建立二維數(shù)值模型，分析隧道襯砌修復(fù)前及套拱加固后的受力狀況，為加固處治方案提供理論依據(jù)。 本次計(jì)算采用梁?jiǎn)挝荒M襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用采用彈性連接（只受壓）單元模擬，圍巖與支護(hù)參數(shù)如表1 所示。 數(shù)值模擬考慮以下2 種計(jì)算工況：（1）工況1 為隧道襯砌實(shí)測(cè)厚度， 襯砌材料為C25 混凝土， 按承擔(dān)100%荷載取，計(jì)算模型如圖4 所示。 （2）工況2 為套拱加固，套拱材料為C30 混凝土， 按承擔(dān)40%荷載取值[10]，計(jì)算模型如圖5 所示。

表1 圍巖與支護(hù)參數(shù)

圖4 工況1 計(jì)算模型

圖5 工況2 計(jì)算模型

3.2 模型計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，工況1 情況下C25 素砼襯砌斷面實(shí)測(cè)厚度如表2 所示。

表2 C25 素砼襯砌斷面實(shí)測(cè)厚度 （單位：cm）

經(jīng)計(jì)算， 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6 和圖7 所示，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表3 所示。 由表3 可知，隧道左拱腰安全系數(shù)小于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定值，故應(yīng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)采取加固措施。

圖6 工況1 軸力圖

圖7 工況1 彎矩圖

表3 襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，工況2 情況下套拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖8、圖9 所示，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表4 所示。 由表4 可知，隧道各位置安全系數(shù)均大于 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值[9]，滿(mǎn)足規(guī)范要求，故加固后的截面安全，套拱結(jié)構(gòu)能夠有效控制破損襯砌繼續(xù)產(chǎn)生變形。

圖8 工況2 軸力圖

圖9 工況2 彎矩圖

表4 套拱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)本隧道套拱加固工程的成功應(yīng)用，以期為類(lèi)似隧道加固工程及類(lèi)似建設(shè)項(xiàng)目提供理論指導(dǎo)和安全施工建議，并得到以下重要結(jié)論：（1）在確保不降低隧道結(jié)構(gòu)的安全性和功能性的條件下，針對(duì)二次襯砌欠厚情況給出不同加固措施，加固后原有襯砌病害未出現(xiàn)，效果良好。 （2）按照隧道套拱加固施工技術(shù)的指導(dǎo)， 套拱可以與原襯砌結(jié)合成一體，通過(guò)協(xié)調(diào)變形及共同受力提高原襯砌結(jié)構(gòu)安全性，保障公路隧道安全運(yùn)營(yíng)。