基于山嶺隧道襯砌厚度不足缺陷的病害整治方案研究

龍浩然

(武漢地鐵集團有限公司,湖北 武漢 430077)

0 前 言

目前針對二次襯砌厚度不足缺陷，主要原因是背后脫空、斷面欠挖或施工本身原因。玻璃纖維混凝土作為新型復合材料，近些年在建筑行業發展較快，但作為隧道二次襯砌厚度不足病害補強措施的應用較少。研究表明合理摻入玻璃纖維可提高混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度[1]，可彌補普通噴射混凝土作為二襯補強材料在強度、韌性、抗裂性等方面的不足。綜上，有必要針對利用玻璃纖維混凝土作為山嶺隧道襯砌厚度不足補強材料方案進行研究。

1 隧道概況及病害情況

某隧道為雙洞單向公路隧道。隧道主要穿越強風化花崗巖，埋深0～75 m。由于現場施工原因，隧道部分段落(ZK2+482～ZK2+494段)襯砌厚度明顯不足，且存在裂縫發展情況。相關檢測公司針對隧道缺陷段進行了二次襯砌厚度的檢測，通過二襯混凝土厚度雷達圖可知該段的拱頂襯砌厚度均值約30 cm，左右邊墻襯砌厚度均值40 cm，與原設計厚度相差10～20 cm，原因在于拱部襯砌背后脫空以及斷面整體欠挖。經查閱涉相關資料，該缺陷段采用為Ⅴa型復合式襯砌結構，其中二襯設計強度為C30，設計厚度為50 cm。

1)襯砌結構安全性評價。襯砌厚度不足等質量缺陷對結構的安全影響較大。襯砌安全評價應明確病害段襯砌結構的安全系數，并結合規范要求進行綜合判斷。

2)典型缺陷斷面數值分析。

(1)計算模型。選取典型斷面進行分析，該斷面埋深67.4 m，采用有限差分軟件，模型中圍巖采用彈塑性材料，滿足Mohr-Coulomb屈服準則，支護結構采用彈性材料，材料全部采用實體單元模擬，模型網格劃分圖見圖1。

(2)計算參數選取。計算中巖土體物理力學材料參數以地質鉆孔勘察報告和經驗取值為依據。模擬中，假定拱頂處二襯厚度為30 cm，左右邊墻腳處為40 cm，兩位置之間的二襯厚度均勻漸變；且拱頂脫空部位已注漿密實，襯砌與圍巖密貼。具體計算參數取值見表1。

圖1 模型網格劃分圖

表1 模型中主要物理參數

(3)內力計算結果。根據數值計算結果，求得襯砌結構的軸力和彎矩，繪制隧道典型缺陷斷面二次襯砌的軸力及彎矩圖，如圖2所示。

圖2 病害段襯砌內力圖(單位：kN·m)

(4)安全性檢算。根據隧道左線襯砌缺陷情況資料，針對其局部范圍內存在的二次厚度不足問題，依據《公路隧道設計規范》(JTG 3370.1—2018)[2]，參考荷載-結構法檢算襯砌結構的安全系數，其中鋼筋混凝土抗壓(ky)或抗彎安全系數(kw)最小值取2.0。根據檢算結果作安全系數分布見圖3。

圖3 安全系數(kw)分布圖

由襯砌單元檢算結果及圖3可知，襯砌安全系數不符合規范要求的單元位置集中在拱部與邊墻，其中邊墻處單元全部檢算不合格，部分拱部邊緣單元檢算不合格，且拱部其余檢算合格的單元，其安全儲備均很小，安全系數最高未超過2.1，應考慮針對性補強處理。

2 襯砌厚度不足整治方案

由檢算結果可知，在拱頂脫空部位已注漿密實的條件下，邊墻處單元全部檢算不合格，部分拱部邊緣單元檢算不合格，且拱部其余檢算合格的單元，其安全儲備均很小。綜合隧道圍巖等級、病害范圍及程度、施工進度等因素，考慮病害段脫空部位先采用注漿填充，再采用拱部、邊墻部位掛網噴纖維玻璃混凝土補強加固二次襯砌的措施，以改善襯砌厚度不足區域的結構受力及裂縫發展情況。

本次整治方案中的噴射混凝土采用玻璃纖維混凝土，強度應不小于原二襯強度(采用C30)，考慮現場施工和限界問題，在拱頂至邊墻腳二襯表面打設釬釘，掛網后均勻噴射20 cm厚玻璃纖維混凝土進行整治。具體步驟如下：①對襯砌背后脫空部位進行注漿充填；②清理二襯表面并打磨粗化，以提高界面粘接強度；③機械打設釬釘并布設鋼筋網；④由熟練的噴射手進行噴混凝土施工，注意噴混凝土厚度應盡量達到均勻一致；⑤養護完成后，進行噴混凝土表觀粗糙度處理，注意與正常襯砌段落的過渡應自然美觀。

3 整治方案比選及現場施工效果

1)整治方案數值分析。加入玻璃纖維后，混凝土的強度較原混凝土必然有一定提高，綜合文獻[3-4]和規范[2]中對C30噴射混凝土強度的建議值，在建模時采用了如表2所示的計算參數。

表2 玻璃纖維混凝土(C30)主要物理參數

2)整治方案效果分析。由圖4可知，各工況下的最小安全系數值均在墻腳部位，整治前隧道邊墻腳部位最為薄弱，整治方案中全環二襯單元的安全系數值滿足規范要求，且在邊墻和拱部范圍內襯砌安全系數有較大提高。因此，采用釬釘掛網噴射玻璃纖維混凝土進行襯砌結構補強的方案是可行的。

圖4 安全系數(kw)對比圖

3)現場施工情況。結合現場配比試驗結果，考慮工程經濟性和結構安全性，材料在原C30噴射混凝土的基礎上摻入6 kg/m3的玻璃纖維時較為合理。現場噴射纖維混凝土的施工流程見圖5。

圖5 噴射玻璃纖維混凝土施工流程圖

現場噴混凝土施工后，雖然平整度較模筑混凝土有一定差距，但對比襯砌變形及表面裂縫監測結果，發現病害整治段襯砌服役表現并不遜色于正常段，尤其表現在裂縫發展規模及裂縫大小方面，這也是玻璃纖維混凝土抗裂性能優越的體現。

4 結論與建議

本文主要結合理論公式和數值分析手段，對襯砌厚度不足缺陷段采用玻璃纖維噴混凝土整治前后隧道襯砌結構的安全性進行了評價，得出主要結論如下。

1)采用專項玻璃纖維噴混凝土方案對襯砌缺陷斷面進行整治后，相應區段襯砌結構安全性明顯提升，安全系數滿足公路隧道設計規范的要求。

2)采用釬釘掛網噴射玻璃纖維混凝土進行襯砌結構補強總體是可行的，通過合理的噴射玻璃纖維混凝土補強處理，病害整治段襯砌結構服役表現良好，尤其表現在裂縫發展規模及裂縫大小方面。

3)建議在利用玻璃纖維混凝土進行襯砌病害整治前，通過多組配合比試驗、力學試驗和噴射效果試驗，確定最優玻璃纖維摻量和其他材料用量，以達到理想的整治效果。

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