公路隧道鋼筋混凝土套拱加固結(jié)構(gòu)受力監(jiān)控量測(cè)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(guó)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(yíng)過(guò)程中諸多因素的影響，公路隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)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(duì)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(wèn)題。套拱加固雖然也存在局部?jī)艨涨窒薜娜秉c(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(duì)圍巖無(wú)擾動(dòng)。

目前國(guó)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(duì)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(cè)。本文結(jié)合安康市石泉縣S316上的長(zhǎng)安壩隧道鋼筋混凝土套拱加固工程監(jiān)控量測(cè)情況，對(duì)鋼筋混凝土套拱的受力特性進(jìn)行分析。

1 工程概況

長(zhǎng)安壩隧道位于安康市石泉縣境內(nèi)G316上，隧道全長(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)度48.2 m，脫空最大深度18 cm，最長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)安壩隧道鋼筋混凝土套拱施工

圖2 長(zhǎng)安壩隧道鋼筋混凝土套拱

2 監(jiān)測(cè)方案

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)鋼筋混凝土套拱加固監(jiān)測(cè)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(cè)方案。監(jiān)測(cè)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(cè)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(chǎng)各種干擾小，可長(zhǎng)期有效地工作[9-11]。套拱監(jiān)測(cè)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(cè)元件布置

3 監(jiān)測(cè)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(zhǎng)由快到緩，最后趨于穩(wěn)定的整體趨勢(shì)。

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(shuō)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(duì)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(zhǎng)幅度較大，6個(gè)月后增長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(shuō)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(duì)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(duì)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(shì)較為簡(jiǎn)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(shì)較為一致，在6個(gè)月內(nèi)混凝土應(yīng)力逐漸增大，且增長(zhǎng)幅度較大，6～7個(gè)月后增長(zhǎng)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(shì)較為簡(jiǎn)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(shì)較為一致，在6個(gè)月內(nèi)增長(zhǎng)幅度較大，6～7個(gè)月后增長(zhǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)幅度開(kāi)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(duì)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(guò)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)受力模型進(jìn)行修正或重建。

[1] 姚正中，楊春平. 高速公路現(xiàn)役運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水病害整治措施[J]. 交通科技，2014(2):112-115.

[2] 鄒育麟，何川，周藝，等. 重慶高速公路現(xiàn)役運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水病害統(tǒng)計(jì)及成因分析[J]. 公路交通科技，2013(1):86-93.

[3] 何川, 唐志成, 汪波, 等. 內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)對(duì)缺陷病害隧道結(jié)構(gòu)承載力影響的模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30 (2): 406-412.

[4] 何川, 李祖?zhèn)? 佘健, 等. 組合補(bǔ)強(qiáng)對(duì)缺陷病害隧道結(jié)構(gòu)承載力影響的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J]. 公路, 2007(3): 195-202.

[5] 何川，佘健，蘭宇.高速公路隧道維護(hù)加固對(duì)策模型試驗(yàn)研究[C]/ /全國(guó)公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2005:109-116.

[6] 劉學(xué)增,桑運(yùn)龍,包浩杉.疊合式套拱加固帶裂縫隧道襯砌受力機(jī)理分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2013,10(10)：127-134.

[7] 薛曉輝，宿鐘鳴，孫志杰 .偏壓隧道洞口段復(fù)合套拱力學(xué)性能研究[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào), 2013,10 (5): 51-54.

[8] 俞文生, 桑運(yùn)龍.分離式套拱加固帶裂縫襯砌的變形規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014,8(4)：141-149.

[9] 陳建勛, 馬建秦.隧道工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)[M].北京:人民交通出版社, 2005.

[10] 陳建勛, 楊忠.秦嶺終南山特長(zhǎng)公路隧道東線施工監(jiān)控量測(cè)[J].公路, 2006(7):205-208.

[11] 陳建勛, 楊忠, 袁雪戡.秦嶺終南山特長(zhǎng)公路隧道大埋深段施工監(jiān)測(cè)及分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006, 23(3):71-75.

[12] JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[13] HidetoMashimo, Atsushi Kusaka, NobuharuIsago, Tsutomu Kitani and ShinobuKaise. Experimental Study on Collapse Mechanism of Tunnel Lining and Effect of Reinforcing Material on Load-bearing Capacity of Tunnel Lining [J]. Proceedings of Japan Society of Civil Engineers, 2008, 64 (3): 311-326.

[14] W. H. N. C. Van EKPel, J. W. Sip, F. P. Haring. Design of Repair Measures of a Damaged Shield Driven Tunnel [J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2006(21): 338-339.

[15] Japan Society of Civil Engineers. The Present State of Construction and Maintenance of Mountain Tunnel Lining [M].Toyko:Maruzen Publishing Co., Ltd, 2002.