隧道仰拱初期支護鋼架缺失整治技術

何尉祥，申玉生，何永輝，趙樂

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

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隧道仰拱初期支護鋼架缺失整治技術

何尉祥，申玉生，何永輝，趙樂

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

摘要:新建蘭渝鐵路某隧道仰拱初期支護鋼架缺失，運用有限元軟件ANSYS采用荷載-結構模型計算隧道斷面各處內力。按破損階段法求出隧道斷面各位置的安全系數，得出拱頂位置的安全系數最小，且不滿足規范要求，需采取整治措施。根據計算結果提出一種整治措施，即采用中空注漿錨桿對仰拱進行注漿補強，該方案改善了隧道仰拱周邊圍巖的力學性能，也使仰拱初期支護恢復力學效應，取得了良好的整治效果。該技術對類似的隧道病害整治有一定的參考意義和推廣價值。

關鍵詞：初期支護；仰拱；安全系數；中空錨桿；注漿

1概述

新建蘭渝鐵路某隧道為雙線鐵路隧道，隧道處在剝蝕丘陵，隧道洞身穿越侏羅紀遂寧組泥巖夾砂巖，巖層傾角平緩，產狀變化較小，未見斷裂構造形跡。地下水不發育，預計隧道涌水量較小，環境作用類別為T2，地下水對混凝土結構無侵蝕性。隧道穿越Ⅲ級，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，其中洞口段處在Ⅴ級圍巖范圍。隧道按照新奧法原理設計，襯砌結構采用初期支護和二次襯砌的復合式襯砌支護。洞口段處在Ⅴ級圍巖范圍，隧道支護結構采用Ⅴ級圍巖Ⅰ型加強復合式襯砌。Ⅴ級圍巖復合式襯砌，初支拱墻厚度28cm，I20b型鋼，鋼架間距0.6m；襯砌厚度二襯50cm，仰拱60cm，襯砌混凝土采用C35鋼筋混凝土，二襯、仰拱Ф22鋼筋，間距20cm。Ⅴ級圍巖隧道斷面原設計圖見圖1。

單位：cm圖1　Ⅴ級圍巖隧道斷面原設計圖Fig.1 Original tunnel cross-section design of Ⅴsurrounding rock

2隧道施工缺陷

改隧道已建成3a并已運營通車。經檢驗，該隧道在里程洞口段80m范圍初期支護仰拱鋼架缺失，造成仰拱剛度下降。洞口段埋深較淺，地質條件較差，該施工質量缺陷使隧道結構強度降低，威脅整個隧道的安全，故需要在論證分析后采取整治措施。

3荷載結構計算

3.1荷載結構模型

根據荷載-結構模型理論，建立隧道洞口段橫斷面平面模型，縱向長度取1m。假設襯砌四周均布地基彈簧，其中二次襯砌采用梁單元(Beam)模擬，地基采用彈簧單元(Spring)模擬，彈簧長度取1m。地基彈簧只可受壓，不可受拉，經反復試算后需刪除受拉彈簧。荷載-結構模型見圖2。

圖2　荷載-結構模型Fig.2 Load-structure model

3.2計算參數

根據鐵路隧道設計規范(TB10003—2005)，圍巖物理力學參數取值如表1[1]所示。該隧道初期支護仰拱鋼架缺失段平均埋深為30.2m，經計算屬淺埋隧道，按淺埋隧道計算。按破損階段法計算隧道襯砌強度力學參數具體參數值見表2。

表1　圍巖物理力學參數取值表

表2　襯砌材料力學參數

表3　二次襯砌內力及安全系數

3.3內力計算

隧道初期支護仰拱鋼架缺失，造成仰拱剛度降低。根據該隧道設計說明，Ⅴ級圍巖隧道設計時按二次襯砌在復合式襯砌中承擔圍巖壓力50%～70%。由于仰拱初期支護鋼架缺失，造成仰拱初期支護強度不足，從而破壞了整個初期支護支撐體系，使初期支護的力學性能大大降低[2～5]。此時二襯承擔荷載比例尚不清楚。按最不利情況考慮，可以認為初期支護失效，圍巖壓力全部由二次襯砌承擔。采用有限元軟件ANSYS按荷載-結構模型對二次襯砌受力進行計算。選取斷面7個典型位置為二次襯砌內力控制點。示意圖見圖3。

計算二次襯砌承擔全部荷載時的隧道襯砌軸力、彎矩，結果見圖4～5，根據鐵路隧道設計規范(TB10003—2005)按破損階段檢算襯砌截面強度[6]，得到各控制點的內力及安全系數見表3。隧道斷面二襯各位置的安全系數見圖6。由圖6可以看出，仰拱處的安全系數較大，拱頂的安全系數最小，為1.6，不滿足規范的要求。在隧道45°方向位置的安全系數也較小。

圖3　二次襯砌控制點示意圖Fig.3 Sketch of control points on secondary lining

單位：N圖4　二次襯砌軸力圖 Fig.4 Axial force diagram of the secondary lining

單位：N·m圖5　二次襯砌彎矩圖Fig.5 Bending moment diagram of the secondary lining

按二襯承擔荷載比例從50%～100%依次計算隧道斷面各控制點的軸力、彎矩，得到安全系數，其變化情況見圖7～8。

由圖7～9可見，隨著二襯承擔荷載比例的增加，軸力和彎矩都逐漸增加，安全系數逐漸減小。由圖8可見，拱頂處彎矩最大，其變化也最大，當二襯承擔荷載由50%增加到100%時，拱頂處彎矩增加了92%。拱頂兩側位置彎矩方向發生變化，即由隧道內側受拉逐漸變化到隧道內側受壓。由圖9可見，拱頂處的安全系數最小，其他位置的安全系數相對較大。當二襯承擔荷載大于75%時，拱頂處安全系數小于規范規定的最小安全系數2.0，此時必須采取加固措施。偏安全考慮，可認為初期支護完全失效時，即二襯承擔全部荷載，此時拱頂附近的安全系數為1.6，已小于規范規定的最小安全系數2.0，需要采取措施進行加固。可見，拱頂是該隧道最危險的位置，是整個斷面強度的控制點，施工時必須嚴把質量關，不得偷工減料，拱頂位置的受力鋼筋可適當增加[9-12]。

圖6　二次襯砌安全系數圖Fig.6 Safety factor diagram of the secondary lining

圖7　軸力隨二襯承擔荷載比例變化Fig.7 Graph of the axial force over the change of bearing load proportion of the secondary lining

4整治措施

根據國內的工程實例經驗，隧道仰拱對提高隧道結構的承載力，抑制圍巖內塑性區的擴展，約束隧道洞周位移的發展，提高襯砌結構的安全度等方面都有非常重要的作用[13-15]。

為進一步確保隧道安全，在不拆除重新修建仰拱情況下，可采用在襯砌結構墻腳、仰拱底部增設錨桿，用錨桿來約束隧道的周邊位移及豎向位移，同時，中空錨桿注漿，可固結圍巖與仰拱底松散層及圍巖內部的裂隙，以提高隧道底圍巖基礎承載能力，滿足隧道正常使用要求[16-17]。

圖8　彎矩隨二襯承擔荷載比例變化Fig.8 Graph of the bending moment over the change of bearing load proportion of the secondary lining

圖9　安全系數隨二襯承擔荷載比例變化Fig.9 Graph of the safety factor over the change of bearing load proportion of the secondary lining

4.1設計原則

1)采用動態設計，本著安全實用、質量可靠、經濟合理、技術先進的原則；

2)盡量利用既有襯砌結構性能，對結構缺陷處進行快速有效的補強；

3)整治時的工法和工藝應具有較強的安全性和可操作性。

4.2整治方案

1)先對襯砌觀察，襯砌沒有裂紋或僅有微小裂紋(寬度小于2mm)、無錯臺、無壓潰現象，仰拱結構無破損或破損較輕時，在兩側邊墻距蓋板頂10cm與水平呈15°斜向下各設置一根長L=5.0m的Φ32中空注漿錨桿，在距水溝邊墻外50cm及中央排水溝兩側100cm處各豎向設置長一根L=5.0m的Φ32中空注漿錨桿進行加固，錨桿縱向間距1.80m，呈排布置；錨桿采用水泥漿灌注，待錨桿錨固砂漿強度達到設計強度值后，再采用扭力緊固錨桿螺母，張拉力達到70kN以上。

2)若襯砌存在裂紋(寬度大于2mm)或有錯臺或壓潰現象或仰拱結構破損或破損較嚴重時，發生一種或一種以上，應對該段仰拱進行拆除，按既有設計圖紙重新修建。

3)注漿材料采用水灰比宜在0.38∶1～0.50∶1，注漿壓力控制在0.5～1.2MPa，注漿施作應控壓、控量注漿，保證在線路安全的前提下使注漿飽滿。

具體整治方案設計及錨桿設計處理方法見圖10～14。

4.3施工流程

1)首先復核隧道仰拱鋼架缺失段位置，并對現場進行測量放線；

圖10　注漿加固平面布置示意圖Fig.10 Layout diagram of grouting reinforcement

圖11　I-I剖面圖Fig.11 I-I cross-section diagram

圖12　豎向錨桿頭處理圖Fig.12 The handling diagram of the vertical bolt head

圖13　邊墻錨桿頭處理圖Fig.13 Handling diagram of the bolt head on sidewall

圖14　中空注漿錨桿注漿示意圖Fig.14 Grouting sketch of hollow grouting bolt

2)在錨桿鉆孔前，應先對隧道仰拱回填層頂面進行開孔，開孔大小為寬15cm正方形，深8cm；

3)將合金鉆頭與錨桿一端連接，另一端連接上釬套、釬尾后再與臺車或手持式鉆機連接好。按設計的深度開始鉆進，鉆進時須加注冷卻水；鉆進至設計深度，應用水或空氣洗孔，檢查鉆頭上的孔是否暢通，錨桿按設計要求外露；

4)卸下鉆機，將止漿塞套進桿體，并將其塞入孔內，準備注漿；注漿壓力過大或圍巖太破碎，可用錨固劑封孔；

5)對錨桿進行注漿；

6)安裝墊板和螺母，并旋緊螺母；

7)對開孔襯砌混凝土進行鑿毛，清洗干凈，為增加粘結都，涂刷一層界面膠；

8)澆筑C30微膨脹細石混凝土或C30水泥砂漿；

9)清理混凝土表面，并涂刷水泥基結晶滲透型防水材進行表面防水并與既有混凝土保持一致顏色。

4.4錨桿注漿施工工藝

1)對仰拱注漿工藝，可采用錨桿體的中空孔作進漿孔，錨孔與圍巖間空隙排氣回漿管；

2)錨桿鉆孔：按設計要求放樣錨桿位置，并進行鉆孔至設計深度，非自進行式錨孔鉆完后應進行清孔；

3)錨桿安裝：將中空注漿錨桿插入孔底，錨桿桿體露出面的長度為12cm，安裝止漿塞、墊板、螺母；

4)錨桿灌漿：迅速將錨桿和注漿管及擠壓泵用快速接頭連接好，開動泵注漿，整個過程應連續灌注，不停頓，灌漿結束條件為排氣管內連續溢漿每孔灌漿結束完成后，再關閉注漿泵；

5)待錨桿錨固砂漿強度達到設計強度值后，再采用70N·m扭力緊固錨桿螺母；

6)注漿材料：灌漿材料采用P.0.42.5R水泥，單液灌漿，灌漿水灰比：0.38～0.50∶1，并摻入FDN減水劑；

7)質量檢測。施工完成后對錨桿進行檢測，初始抽檢率不少于總設計數量30%，若檢測過程中錨桿存在不合格現象，則將檢測率提高到總錨桿數量50%以上，檢測方法為無損檢測，測其長度及砂漿注滿度，評定合格參照《錨桿錨固質量無損檢測技術規程》(JGJ/T182—2009)，錨桿長度不小于設計97%，砂漿注滿度不小于80%為合格；若有其他可靠先進檢測方法也可采用。

中空錨桿施工工藝流程見圖15。

5整治效果

理論上，錨桿能把隧底圍巖、初期支護、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土緊密結合在一起整體受力。同時通過注漿，改善了仰拱和隧底圍巖的物理力學性能，提高了其彈性模量和黏聚力，使襯砌結構和圍巖共同作用形成承載拱，約束隧底圍巖向上隆起，抑制隧道結構的整體變形。通過曾設錨桿和注漿，使初期支護封閉成環，形成整體結構受力，這樣二次襯砌的受力得以減小。根據工程經驗及設計說明，按二次襯砌承擔50%的荷載計算結構受力，按破損階段檢算襯砌截面安全系數，得到二次襯砌斷面的安全系數如圖16所示。由圖16可知，此時隧道二襯各位置安全系數均滿足規范。

整治后，通過一段時間的觀察，隧道內未出現襯砌裂縫、滲漏水和變形等異常情況，該整治方案取得了預期效果。

圖15　中空錨桿施工工藝流程圖Fig.15 Technical process diagram of hollow bolt construction

圖16　二襯承載50%斷面安全系數Fig.16 Safety factor diagram of the secondary lining bearing 50% load

6結論

1)通過荷載-結構法計算對比分析初期支護仰拱鋼架缺失的內力變化，可知：隨著二襯承擔荷載比例的增大，二襯的軸力和彎矩都增大，安全系數減小，拱頂位置的安全系數最小，當二襯承擔荷載比例超過75%時拱頂的安全系數小于2.0，不滿足規范要求。

2)針對初期支護仰拱鋼架缺失提出一種整治方案，即采用中空注漿錨桿對仰拱進行加固。在不影響隧道凈空的前提下，通過對仰拱底部和拱腳位置注漿，抑制了圍巖的變形和塑性區的發展。

3)對注漿參數和施工工藝進行優化，使注漿施工質量得到保證。

4)本文的荷載-結構模型定量計算結果僅針對本次工程，但定性規律可推廣到其他類似工程。

5)本文沒有對周邊圍巖的變形做進一步的分析，對注漿參數的選取主要依靠工程經驗。如果需要更精確的結果可能需要三維模型的分析和現場試驗。

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* 收稿日期：2015-08-23

通訊作者：申玉生(1976-)，男，山東臨朐人，副教授，博士，從事大跨度隧道施工力學及強震區山嶺隧道抗減震技術方面的教學與研究工作；E-mail：sys1997@163.com

中圖分類號：U25

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1114-08

Remediation technology about the lack of steel frame of tunnel primary support on the inverted arch

HE Weixiang，SHEN Yusheng，HE Yonghui，ZHAO Le

(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation，SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract：Due to the lack of steel frame of primary support on the inverted arch of a tunnel on new Lanzhou-Chongqing railway, the load-structure model isused to calculate the internal force of tunnel cross-section with the finite element software ANSYS. According to the broken phase method, the safety factor of tunnel cross-section of each position is calculated. The result shows the safety factor of vault location is minimum, and it did not meet the requirements of code. There is a need of taking some measures. According to the calculation results, a regulation measure is brought forward. This method can be concluded as: grouting the inverted arch by hollow grouting bolt to reinforce it. By this way, the mechanical property of surrounding rock near the inverted arch can be improved, the mechanical effect of primary support on the inverted arch ianbe been restored, and it has achieved good effects. This technology has some reference significance and promotion value to the similar tunnel diseases.

Key words：primary support; inverted arch; safety factor; hollow bolt; grouting