公路隧道套拱加固施工技術及受力分析

■雷發根

（清流縣城市建設投資服務中心，清流 365399）

隨著我國經濟水平的持續發展，交通運輸及工程建設規模與數量不斷增長，而公路隧道作為提升公路運輸效率與道路服務水平的重要基礎設施，在經濟發展中起到了非常重要的作用。 截至2020 年底，我國公路隧道數量達到21316 座，已經成為隧道建設最多、運營里程最長的國家[1]。 早期公路隧道建設受到設計水平、施工技術、運營環境等因素影響，現有隧道襯砌結構逐漸出現破損、開裂、滲水等較嚴重病害，給公路隧道的運營安全埋下了隱患[2]。國內眾多學者已經就隧道襯砌病害成因及發展規律方面開展了大量的調查分析研究[3-5]，并針對不同的襯砌病害類型給出相適應的處治措施[6-8]。 為了進一步完善既有公路隧道襯砌結構病害處治方法，確保公路隧道運營安全，本文依托福建省某隧道病害治理工程，根據隧道襯砌雷達檢測結果統計了病害類型及數量，并針對病害特征提出相應的加固處置措施； 同時采用MIDAS/GTS 有限元軟件對襯砌斷面進行受力分析，并給出結構安全性評價，為公路隧道加固和類似工程建設提供參考。

1 工程背景

福建省某隧道工程隧道區屬構造——剝蝕丘陵地貌，植被發育，自然邊坡較穩定，自然坡度25°～35°，山嶺呈近南北向，山脊（頂）渾圓狀。 進口處地面高程305～310 m，出口處地面高程260～265 m，隧道軸線最大海拔標高560 m，進口段自然坡度25°～40°，出口段自然坡度15°～30°。 隧道場址區未見有影響的滑坡、崩塌、泥石流、采空區、巖溶等不良地質作用。 但斷裂構造發育，巖石風化強烈，受構造影響，隧道圍巖級別較低。洞體圍巖級別以II～IV 級為主，進出口處和構造通過地段為V 級。

2 隧道病害處治

2.1 襯砌病害統計與分析

隧道運營期間由于受到前期施工水平、地質環境、后期養護等因素影響，將逐漸出現襯砌裂損、滲水、掉塊等病害，其中裂損病害尤為突出。 根據該隧道病害段調查結果可知，病害段范圍內發現二次襯砌混凝土出現橫縫3 條，總長9.7 m；縱縫7 條，總長57.2 m；斜縫1 條，總長3.5 m；混凝土剝落且剝落周邊混凝土松動1 處； 拱頂空洞1 處， 深度為20 cm，二次襯砌厚度約為2～4 cm，隧道空洞現場如圖1 所示。

圖1 隧道拱頂空洞現場

根據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測襯砌較薄處，其原因可能是受前期施工水平影響，混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發散失，在受到圍巖和模板的約束時變形產生應力，當應力值超過混凝土的抗拉強度時產生裂縫并進一步發育；（2）隧道襯砌與初支之間存在脫空現象，支護結構的不均勻接觸會導致緊密狀態發生變化，從而改變外部荷載的傳力路徑，嚴重影響隧道結構的承載能力，其原因可能是由于二次襯砌澆筑時泵送壓力控制不良，從而造成拱頂部的混凝土密實度不足，最終導致襯砌發生掉塊情況。

2.2 襯砌加固措施

根據該隧道工程襯砌病害情況并結合原設計方案，考慮實際施工安全性、可操作性與經濟性，在確保不降低隧道結構的安全性和功能性的條件下，針對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

當二次襯砌厚度不足原設計的1/2 時， 建議采用模筑套拱方式作為加固措施。 主要施工技術要點有：（1）襯砌鑿除要求。 鑿除襯砌宜采用機械切割，對欠厚范圍內開鑿、植筋鉆孔時要注意觀察，若有發現混凝土突然出現大量裂縫或松動情況及時停止鉆孔、安排施工人員撤離，并通知技術人員進行機械排險；（2）工字鋼架立要求。 邊墻工字鋼架立前對拱腳處進行人工整平處理，清除底腳的虛渣及雜物； 工字鋼成環后應檢查其于原襯砌貼合情況，若有空隙應用結構膠或聚合物砂漿填補；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模板宜固定于支架上，必要時可以利用臨時鋼支撐固定，保證有足夠的剛度、強度和穩定性；套拱澆筑時模板應在原襯砌伸縮縫及沉降縫處斷開；模板安裝時應注意模板的縫隙，必要時用止漿片、止漿條堵漿；澆筑前應在每段工字鋼背后預留1～2 處注漿管，澆筑完成后進行注漿，注漿完成后封堵； 縱向澆筑可按沉降縫或施工縫分段，豎向澆筑最高不應超過3 m； 分層澆筑時嚴禁破壞不銹鋼絲網，鋼絲網應外露20 cm。

2.2.2 粘貼鋼帶加固處治

對于二次襯砌厚度1/2B≤D≤3/4B （B 為二次襯砌設計厚度，D 為二次襯砌實測厚度）的段落，欠厚處易導致二次襯砌脫落掉塊等嚴重問題，建議采用粘貼加固措施進行處治。 主要施工技術要點有：（1）施工前準備：鋼帶應對襯砌表面打磨（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；錨固螺栓安裝應先探測混凝土中鋼筋分布情況，螺栓環向間距可根據現場情況作適當調整，通過錨栓將鋼板錨固于二次襯砌上，預留注漿間隙；（2）鋼帶粘貼過程：對螺栓固定的鋼帶用結構膠封邊，預埋灌膠嘴（環向間隔0.5～1 m 設置）、出氣孔；壓力注漿應按從下至上的順序進行，并保證注漿壓力持續、緩慢、均勻，保證注漿密實度；待鋼帶施工完成后，再用環氧樹脂膠漿封面，環氧樹脂膠封面應涂刷均勻，色澤與周圍混凝土保持一致。 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計

襯砌脫空缺陷將影響結構受力形態，且對運營隧道存在較大的安全隱患。 對于襯砌脫空的段落，建議采用注漿加固措施進行處治。 主要施工技術要點有：（1）根據檢測確定的范圍進行鉆孔（鉆孔個數可根據脫空面積大小決定，排氣孔應置于最上方位置）、埋設注漿管，待注漿管固定后注水泥漿，漿體固化后割除注漿管并進行表面封堵；（2）鉆孔過程采用的設備應根據檢測脫空范圍的二次襯砌厚度設置有效的定位裝置， 防止鉆孔過程中鉆破防水板。 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 數值模擬分析

3.1 模型建立

根據《公路隧道加固技術規范》[9]規定，深埋隧道的整體式襯砌結構內力計算宜采用荷載結構法，因此， 本文采用MIDAS GTS NX 有限元分析軟件，根據襯砌破損尺寸、圍巖等級及實測襯砌厚度情況選取計算斷面建立二維數值模型，分析隧道襯砌修復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。 本次計算采用梁單位模擬襯砌結構，圍巖對襯砌結構的作用采用彈性連接（只受壓）單元模擬，圍巖與支護參數如表1 所示。 數值模擬考慮以下2 種計算工況：（1）工況1 為隧道襯砌實測厚度， 襯砌材料為C25 混凝土， 按承擔100%荷載取，計算模型如圖4 所示。 （2）工況2 為套拱加固，套拱材料為C30 混凝土， 按承擔40%荷載取值[10]，計算模型如圖5 所示。

表1 圍巖與支護參數

圖4 工況1 計算模型

圖5 工況2 計算模型

3.2 模型計算

經計算，工況1 情況下C25 素砼襯砌斷面實測厚度如表2 所示。

表2 C25 素砼襯砌斷面實測厚度 （單位：cm）

經計算， 襯砌結構應力云圖如圖6 和圖7 所示，內力計算結果如表3 所示。 由表3 可知，隧道左拱腰安全系數小于《公路隧道設計規范》[9]規定值，故應對襯砌結構采取加固措施。

圖6 工況1 軸力圖

圖7 工況1 彎矩圖

表3 襯砌內力計算結果

經計算，工況2 情況下套拱結構應力云圖如圖8、圖9 所示，內力計算結果如表4 所示。 由表4 可知，隧道各位置安全系數均大于 《公路隧道設計規范》規定值[9]，滿足規范要求，故加固后的截面安全，套拱結構能夠有效控制破損襯砌繼續產生變形。

圖8 工況2 軸力圖

圖9 工況2 彎矩圖

表4 套拱內力計算結果

4 結論

通過本隧道套拱加固工程的成功應用，以期為類似隧道加固工程及類似建設項目提供理論指導和安全施工建議，并得到以下重要結論：（1）在確保不降低隧道結構的安全性和功能性的條件下，針對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，效果良好。 （2）按照隧道套拱加固施工技術的指導， 套拱可以與原襯砌結合成一體，通過協調變形及共同受力提高原襯砌結構安全性，保障公路隧道安全運營。