在役公路隧道新增風(fēng)機(jī)預(yù)埋件的處治技術(shù)

王璐石，王道良，王 昆

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067； 2.公路隧道建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室， 重慶 400067)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市人口及汽車保有量急速增長，為解決城市土地資源緊張和交通擁堵等問題，修建了越來越多的隧道。隧道作為一個相對密閉的狹長空間，隧道內(nèi)通行車輛排放的廢氣不易自由擴(kuò)散，若不及時處理，將會產(chǎn)生大量有害氣體(如CO、NO2)和煙霧，造成隧道內(nèi)空氣質(zhì)量惡化和能見度降低，從而嚴(yán)重影響司乘人員的健康，形成嚴(yán)重的交通事故隱患。射流風(fēng)機(jī)作為確保隧道安全運營的一個重要工具，其數(shù)量對隧道內(nèi)的運營環(huán)境有著十分重要的影響[1-2]。然而為了節(jié)省初期投資和實現(xiàn)運營節(jié)能，隧道通風(fēng)經(jīng)常分期實施。

目前國內(nèi)針對隧道既有風(fēng)機(jī)預(yù)埋件及其周邊段落襯砌的加固[3-4]的研究及成果較多，但對在役隧道新增預(yù)埋件的技術(shù)及措施等方面尚無系統(tǒng)性的研究和詳盡資料。本文主要針對在役公路隧道需在二襯表面新增預(yù)埋件,同時對擬增設(shè)預(yù)埋件段落及其周邊存在襯砌厚度不足和脫空病害的情況,提出了切實可行的工程措施[5-16]，并應(yīng)用于工程實踐。

1 工程概況

某隧道位于重慶市渝中區(qū)，橫穿長江與嘉陵江夾持的河間半島。隧道為雙洞單向行車，隧道左線長1 034.656 m，右線長1 006.344 m，兩洞軸線間距約31 m，洞內(nèi)平曲線半徑1 000 m，最大縱坡2.0%，最小縱坡0.3%，隧道凈高7.43 m，凈寬10.96 m。隧道內(nèi)輪廓采用曲墻半圓拱，拱半徑5.59 m，曲墻半徑8.99 m。隧道內(nèi)設(shè)有通風(fēng)照明、消防等服務(wù)、防災(zāi)設(shè)施。

該隧道作為主城區(qū)過江交通流量最大的路段之一，車流量還在持續(xù)增加，根據(jù)通風(fēng)、防災(zāi)救援需要，同時根據(jù)隧道原設(shè)計遠(yuǎn)期規(guī)劃，擬在右洞YK1+036.344處增設(shè)一組風(fēng)機(jī)，但依據(jù)專項檢測結(jié)果，該處沒有風(fēng)機(jī)預(yù)埋件。為此，通過通風(fēng)計算，本次擬在樁號YK1+030.344～YK1+086.344范圍內(nèi)某一5 m范圍增設(shè)風(fēng)機(jī)預(yù)埋件，用于懸掛風(fēng)機(jī)。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

隧道所在地為長江、嘉陵江所環(huán)抱的河間半島，半島分水嶺偏南側(cè)，位于浮圖關(guān)—鵝嶺—枇杷山—七星崗—大梁子(中華路)一線。南坡地勢陡峻、狹窄，北坡較緩、寬闊，半島呈北東-南西走向，山脊線呈夾溝波浪起伏狀態(tài)。隧道軸線地勢呈波浪起伏，測區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育。沖溝均被雜填土堆填，并已建成密集的市民住宅，樓房林立，沿線地面高層建筑較多。南坡地形較陡，約30°～40°，北坡較緩，約10°～25°，隧道軸線與地形等高線呈大角度斜交。

2.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)人工雜填土石層及殘坡積松散層，基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組長石石英砂巖與砂質(zhì)泥巖互層。

隧道位于江北斜西翼，隧道軸線走向與構(gòu)造軸向近于平行。隧道洞體圍巖呈單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)無斷層。砂巖中有3組構(gòu)造節(jié)理，節(jié)理面多呈平直或緩坡波浪狀態(tài)，以閉合裂隙為主，局部充填泥質(zhì)或鈣質(zhì)物質(zhì)，延伸長度一般小于5.0 m，節(jié)理具有壓扭性，屬剪切節(jié)理。泥巖地層中的構(gòu)造節(jié)理不發(fā)育，在強(qiáng)風(fēng)化地層中多發(fā)育網(wǎng)狀風(fēng)化節(jié)理裂隙。

2.3 YK1+030.344～YK1+086.344段地質(zhì)條件

YK1+030.344～YK1+086.344段主要為Ⅳ類圍巖，基巖為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖夾中薄層長石石英砂巖互層，K1+065～+090路段的隧道拱頂距上覆情報所人防工程僅7.0 m左右，該段隧道埋深約29.5 m。

3 隧道專項檢測結(jié)果

該隧道建成投入運營已近15年，需核實二次襯砌混凝土質(zhì)量是否具備增設(shè)預(yù)埋件的條件，為此，對YK1+030.344～YK1+086.344段進(jìn)行了專項檢測。

3.1 襯砌外觀檢查

隧道右洞YK1+030.344～YK1+086.344段襯砌結(jié)構(gòu)在YK1+065處拱頂共有1條環(huán)向裂縫，縫長5.0 m，縫寬1 mm；在YK1+033處拱頂有1處襯砌剝落，面積0.06 m2，襯砌結(jié)構(gòu)未見掉塊和漏筋等病害現(xiàn)象。

3.2 二襯強(qiáng)度檢測

隧道右洞YK1+030.344～YK1+086.344段共布置20個測區(qū)。二襯混凝土強(qiáng)度換算值范圍為22.6 MPa～31.6 MPa，有15個測區(qū)強(qiáng)度換算值均大于設(shè)計值，合格率為75%。

3.3 凈空斷面檢測

隧道右洞YK1+030.344～YK1+086.344段所有檢測斷面均存在實際內(nèi)輪廓尺寸小于設(shè)計尺寸的現(xiàn)象，其中左右邊墻部位由于在原襯砌表面增設(shè)裝飾板，造成左右邊墻部位實際內(nèi)輪廓嚴(yán)重侵入設(shè)計內(nèi)輪廓，隧道左右邊墻部位實際內(nèi)輪廓線侵入設(shè)計內(nèi)輪廓線范圍為15 cm～17 cm。

隧道拱頂部位實際內(nèi)輪廓線均侵入設(shè)計內(nèi)輪廓線約4 cm～6 cm。

典型凈空斷面如圖1、圖2所示。

圖1 隧道K1+040段實測凈空斷面(距進(jìn)口845 m)Fig.1 Measured clearance section at K1+040 (845 m from the entrance)

圖2 隧道K1+045段實測凈空斷面(距進(jìn)口850 m)Fig.2 Measured clearance section at K1+045 (850 m from the entrance)

3.4 地質(zhì)雷達(dá)檢測

1) 二次襯砌厚度

雷達(dá)檢測結(jié)果表明，按1 m間距提供測點厚度值，隧道右洞YK1+025～ YK1+095段(檢測段落加長)總有效測點數(shù)為355個，其中實測厚度大于設(shè)計厚度測點有279個，合格率為78.6%，最大欠厚值24 cm(該部位對應(yīng)設(shè)計厚度為35 cm)。該段二次襯砌共有9處縱向長度大于2 m的連續(xù)欠厚段落，其中左邊墻2處，拱頂3處，右拱腰3處，右邊墻1處，加固區(qū)襯砌厚度如表1所示。

表1 隧道YK1+040～YK1+045段襯砌厚度Table 1 Thickness of tunnel lining at YK1+040～YK1+045

2) 二襯缺陷

雷達(dá)檢測結(jié)果表明隧道右洞YK1+030.344～YK1+086.344段襯砌后存在較嚴(yán)重的缺陷，主要表現(xiàn)為二襯與初支間脫空，共7處。其中左邊墻2處，左拱腰1處，拱頂2處，右拱腰1處，右邊墻1處，最大脫空長度達(dá)4 m。

3) 二襯內(nèi)鋼筋設(shè)置

雷達(dá)檢測結(jié)果表明，該隧道右洞YK1+040～YK1+045段(長5.0 m)二次襯砌配有雙層鋼筋。

4) 初期支護(hù)鋼支撐設(shè)置

雷達(dá)檢測結(jié)果表明，檢測段內(nèi)初期支護(hù)均設(shè)有鋼支撐。

專項檢測段落內(nèi)襯砌病害展布如圖3所示。

4 隧道加固設(shè)計

結(jié)合檢測報告，原設(shè)計擬懸掛風(fēng)機(jī)的YK1+036.344處無風(fēng)機(jī)預(yù)埋件，且該處二襯無鋼筋，而在YK1+040～YK1+045段二襯配有雙層鋼筋，具備增設(shè)風(fēng)機(jī)的條件，同時該段落內(nèi)及其周邊存在拱部襯砌厚度不足、脫空等病害。

4.1 隧道病害對風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)的影響

對于在隧道二襯表面新增的風(fēng)機(jī)預(yù)埋件，其破壞形式主要有：1) 新增鋼板周邊二襯出現(xiàn)裂縫、掉塊；2) 新增鋼板在后期發(fā)生變形、松動、破壞甚至脫落；3) 加載后，風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)位移持續(xù)增大，且荷載不能持續(xù)穩(wěn)定。

當(dāng)隧道拱部二襯與初支存在脫空時，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性及圍巖與初支、初支與襯砌間本應(yīng)緊密接觸的受力狀態(tài)發(fā)生改變，不利于隧道的穩(wěn)定性；襯砌厚度不足時，隧道可能產(chǎn)生較大變形，嚴(yán)重時甚至發(fā)生斷裂、塌落。

圖3隧道襯砌現(xiàn)狀展布
Fig.3 Present layout of tunnel lining

隧道二襯脫空與厚度不足已是一種安全隱患，加上支撐射流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)承載能力應(yīng)不小于風(fēng)機(jī)實際靜荷載的15倍，因此直接在該段落增設(shè)風(fēng)機(jī)預(yù)埋件風(fēng)險極高，為此需首先對該段的襯砌厚度不足及脫空病害進(jìn)行處治。

4.2 加固段落內(nèi)二襯與初支間脫空處治

加固區(qū)域二次襯砌與初期支護(hù)間脫空區(qū)域，采取注漿充填的方法進(jìn)行處治，以改善二次襯砌結(jié)構(gòu)受力條件。

注漿管采用Φ42打孔小鋼管，壁厚4.5 mm，注漿材料為水泥凈漿，水泥為C42.5，水灰比為0.5∶1，采用低壓注漿，充填順序應(yīng)由低向高，將出氣孔設(shè)置在最高處，當(dāng)有水泥漿從出氣孔流出時，此段充填結(jié)束。脫空注漿處治如圖4所示。

圖4 襯砌脫空注漿處治Fig.4 Grouting treatment of lining void

5 增設(shè)預(yù)埋件設(shè)計

1) 結(jié)構(gòu)體系

(1) 環(huán)向鋼板帶通過錨栓、錨桿、粘鋼膠與二襯連接，如圖5、圖6所示。

單位：mm圖5 鋼板帶平面展布Fig.5 Plane layout of the steel plate

單位：mm圖6 螺栓、錨桿布置Fig.6 Layout of the bolts and rods

(2) 縱向加強(qiáng)鋼板帶通過粘鋼膠同環(huán)向鋼板帶連接，通過錨栓與二襯連接。

(3) 風(fēng)機(jī)支座鋼板通過焊接和粘鋼膠與環(huán)向鋼板連接，通過錨桿與圍巖連接，加固設(shè)計整體如圖7所示。

2) 設(shè)計要點

(1) 環(huán)向鋼板帶采用寬度為30 cm的熱軋鍍鋅鋼板，鋼帶標(biāo)準(zhǔn)厚度8 mm，鋼帶鋪設(shè)范圍為樁號YK1+040～YK1+045段，鋼帶沿環(huán)向鋪設(shè)至隧道既有裝飾板位置，沿縱向密鋪，根據(jù)情況在環(huán)向鋼板帶之間留1 m～3 cm的間距。

單位：mm圖7 鋼板帶加固設(shè)計Fig.7 Reinforcement design of steel plate

(2) 縱向鋼板帶采用的材料、寬度及厚度與環(huán)向鋼板帶一致，沿環(huán)向間隔布置，共布置9道縱向鋼板帶，具體間距如圖5所示；縱向鋼帶鋪設(shè)于環(huán)向鋼帶之上，鋼帶采用M20膠粘型錨栓、自進(jìn)式錨桿及復(fù)合粘鋼膠與襯砌連成一體，如圖6所示。

(3) 連接支座1采用Q235B鍍鋅鋼板，厚度為20 mm，尺寸為4 000 mm×540 mm，中間支座連接區(qū)域尺寸為2 600 mm×300 mm，錨桿和錨栓的布置位置如圖8(a)所示。

(4) 連接支座2采用Q235鍍鋅鋼板，厚度為20 mm，尺寸為750 mm×440 mm，中間支座連接區(qū)域尺寸為250 mm×200 mm，錨桿和錨栓的布置位置如圖8(b)所示。

(a)支座1 (b) 支座2

(5) 襯砌錨桿采用自進(jìn)式錨桿，長度為4.5 m，直徑25 mm，注漿材料采用防水水泥砂漿，極限抗拉力不小于170 kN，延米重量不小于3.11 kg/m，錨桿配球形墊板和球形螺母。

(6) 本次錨栓采用特殊倒錐形M20化學(xué)錨栓，錨栓材質(zhì)為S34553或S3252等不銹鋼材質(zhì)，錨固等級為一級，錨固深度為250 mm，錨固膠采用環(huán)氧樹脂類膠液，錨桿墊板厚1.2 cm，尺寸為10 cm×10 cm。

(7) 錨栓、錨桿以及加固鋼帶所用鋼材均應(yīng)采用防腐、鍍鋅、鋁產(chǎn)品，防腐涂層涂刷前應(yīng)進(jìn)行表面除銹處理，且除銹等級應(yīng)達(dá)到Sa2，底層采用富鋅底涂料(厚度不小于70 μm，涂刷2～3遍)，中間層采用環(huán)氧云鐵中間涂料(厚度不小于70 μm，涂刷2～3遍)，面層采用丙烯酸環(huán)氧面涂料(厚度不小于100 μm，涂刷3～4遍)，防腐處理應(yīng)全面到位，不留死角。風(fēng)機(jī)支座和聯(lián)接鋼板處采用焊接，焊縫等級為一級，錨栓和錨桿其余未盡事宜按JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。

(8) 錨栓、錨桿UI及加固鋼板帶所用鋼材在進(jìn)行防銹、防腐處理后還應(yīng)進(jìn)行防火處理，本次采用WCB型非膨脹性防火涂料，拱頂部位在防火涂層與鋼板之間設(shè)置鋼絲網(wǎng)，防止防火涂料掉落。防火涂料宜采用噴涂工藝施工，噴涂壓力宜為0.4 MPa～0.6 MPa。應(yīng)按產(chǎn)品施工工藝規(guī)定的施工間隔進(jìn)行涂覆；噴涂后的涂層應(yīng)完全閉合，輪廓清晰，無流掛、粉化、空鼓、脫落、漏涂和寬度大于0.5 mm裂紋等缺陷；施工過程中，操作者應(yīng)適時檢測涂層厚度，直到符合施工組織設(shè)計規(guī)定的厚度方可停止噴涂；當(dāng)設(shè)計要求涂層表面平整時，應(yīng)對最后一遍涂層作抹平處理，確保外表面均勻平整。

(9) 襯砌病害處治加固段落內(nèi)若存在病害，則應(yīng)先對病害進(jìn)行處治；病害處治完成后，再對襯砌進(jìn)行加固施工。加固段落以外隧道病害與缺陷的整治不在本次處治范圍。

(10) 凈空斷面不足。根據(jù)專項檢測結(jié)果，隧道拱頂部位實際內(nèi)輪廓線均侵入設(shè)計內(nèi)輪廓線約4 cm～6 cm。本次不對凈空斷面不足進(jìn)行處治，風(fēng)機(jī)懸掛后，應(yīng)保證風(fēng)機(jī)與建筑限界有25 cm的凈距。

6 錨栓、錨桿及風(fēng)機(jī)支座的拉拔力檢測及加固驗算

6.1 錨栓、錨桿及風(fēng)機(jī)支座的拉拔力檢測

在施作完錨栓和錨桿后，需進(jìn)行拉拔力檢測，錨桿單根承載力需達(dá)到承載能力設(shè)計值，單根錨栓的承載力需達(dá)到13.4 kN，并應(yīng)選取拱腰位置的錨栓進(jìn)行破壞性試驗，若現(xiàn)場無法實施，可在同一模二襯結(jié)構(gòu)上進(jìn)行破壞性檢驗。檢驗方法和標(biāo)準(zhǔn)按JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。

風(fēng)機(jī)支座安裝完成后，按JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范第二冊交通工程與附屬設(shè)施》中5.5.2規(guī)定：支撐射流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)承載能力應(yīng)不小于風(fēng)機(jī)實際靜荷載的15倍，風(fēng)機(jī)安裝前應(yīng)作支撐結(jié)構(gòu)的靜荷載試驗。

后期運營時應(yīng)每年對風(fēng)機(jī)支座進(jìn)行抗拔試驗，并在每次開啟風(fēng)機(jī)使用之后，要對預(yù)埋件進(jìn)行檢查和檢測，確保風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定安全。

6.2 加固驗算

單臺風(fēng)機(jī)重1 280 kg，按上述設(shè)計規(guī)范規(guī)定，襯砌結(jié)構(gòu)所承受荷載為：

G=1 287 kg×15×9.8 N/kg=189 189 N=189.2 kN

(1)

對結(jié)構(gòu)受力分析采用靜力學(xué)基本原理進(jìn)行簡化計算，鋼板底座焊有兩槽鋼，在進(jìn)行受力分析時，將施加的荷載分解為F/2。預(yù)埋件受力示意如圖9所示。

圖9 預(yù)埋件受力示意Fig.9 Stress diagram of embedded parts

6.2.1 錨桿錨固計算

根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，本次采用Φ25自進(jìn)式錨桿，長度為4.5 m，注漿材料為防水水泥砂漿且為一級永久性錨桿，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為300 000 kPa，錨固鉆孔直徑為40 cm，桿體抗拉安全系數(shù)為2.2，錨固體抗拔安全系數(shù)為2.6，加固區(qū)圍巖為Ⅳ級圍巖，巖石與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度為1 200 kPa，錨桿與錨固砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度為2 400 kPa。

由前可知，在襯砌結(jié)構(gòu)相應(yīng)懸掛單臺風(fēng)機(jī)位置需要承擔(dān)的荷載為15倍風(fēng)機(jī)自重，為189.2 kN，本次計算按8根長度為1 m的錨桿進(jìn)行驗算，則每根錨桿所受軸線拉力為23.625 kN，單根錨桿截面面積為0.000 49 m2。

單根錨桿截面極限計算面積：

S極限=2.2×23.625 kN/300 000 kPa=0.000 17 m2<0.000 49 m2

(2)

式中：2.2為錨桿抗拉安全系數(shù)。

錨固體與圍巖間極限計算長度：

L極限=2.6×23.625 kN/(3.14×0.04 m×1 200 kPa)=0.407 5 m<1 m

(3)

錨桿與錨固體間極限錨固長度：

l極限=2.6×23.625 kN/(3.14×0.002 5 m×2 400 kPa)=0.326 m<1 m

(4)

式中：2.6為錨桿抗拔安全系數(shù)。

可見當(dāng)8根錨桿作用時，錨桿錨固長度為1 m即可滿足要求。

6.2.2 錨栓錨固計算

1) 錨栓鋼材受拉承載力驗算

錨栓鋼材受拉承載力設(shè)計值，應(yīng)符合下式規(guī)定：

0.85×370 N/mm2×314.16 mm2=98 803.32 N

(5)

2) 錨栓鋼材受剪承載力驗算

錨栓鋼材受剪承載力設(shè)計值，按無杠桿臂受剪計算：

Va=ψE,vfud,vAs=0.8×225 N/mm2×314.16 mm2=56 548.8 N

(6)

式中：Va為錨栓鋼材受剪承載力設(shè)計值，N；ψE,v為錨栓受拉承載力抗震折減系數(shù)，取值為0.8；fud,v為錨栓鋼材用于抗拉計算的強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2，按照規(guī)定和實際要求此處取值為225 N/mm2；AS為錨栓有效面積，mm2，取值為314.16 mm2。

3) 基礎(chǔ)混凝土受拉承載力驗算

膠粘型錨栓下的驗算：

(7)

F=13.4 kN×15=201.0 kN>189.2 kN

(8)

(9)

根據(jù)計算，當(dāng)采用錨栓加固時，需要15根錨栓即可滿足承載力要求。

7 結(jié)論

1) 既有隧道二襯表面新增風(fēng)機(jī)預(yù)埋件，需對擬增設(shè)預(yù)埋件段落的二襯進(jìn)行專項檢測，若存在安全隱患，需首先對二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

2) 本文采用環(huán)向鋼板帶、錨栓、錨桿對該段落進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計，其中環(huán)向鋼板帶通過錨栓、錨桿、粘鋼膠與二襯相連；縱向加強(qiáng)鋼板帶通過粘鋼膠同環(huán)向鋼板帶連接，通過錨栓與二襯連接，方案可行。

3) 風(fēng)機(jī)支座鋼板通過焊接和粘鋼膠與環(huán)向鋼板連接，通過錨桿與圍巖連接，并確保鋼板帶、風(fēng)機(jī)支座鋼板、錨栓、錨桿、襯砌及圍巖形成一個完整的受力體系。實現(xiàn)新增風(fēng)機(jī)預(yù)埋件，同時對風(fēng)機(jī)懸掛段的襯砌進(jìn)行了加固，該方案具有靈活、快速、可靠的優(yōu)點，適用于在役隧道新增風(fēng)機(jī)預(yù)埋件的情況，有利于隧道的安全施工運營。

4) 通過對預(yù)埋件加固體系的結(jié)構(gòu)驗算，表明本次所采取的加固措施滿足在該段新增風(fēng)機(jī)預(yù)埋件的要求，具有較好的可行性。