W鋼帶在襯砌裂損隧道加固中的應(yīng)用

李 靈

（山西交通科學(xué)研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隧道工程屬于地下工程，具有隱蔽性強、不可預(yù)見性強、施工環(huán)境差、施工條件限制、危險因素多、地質(zhì)復(fù)雜多變、時效性長等特點，施工中有許多非人為原因造成隧道二次襯砌欠厚的質(zhì)量缺陷情況[1]。我國隧道建設(shè)發(fā)展速度快，建設(shè)體量龐大，隨著隧道服役時間增加、襯砌材料老化、圍巖地質(zhì)環(huán)境變化等原因，隧道襯砌將出現(xiàn)越來越多的結(jié)構(gòu)性病害，并產(chǎn)生較大的交通安全隱患，2020年6月10日，四川雅安市雨城區(qū)青鼻山隧道中段隧道二襯洞頂處約10 m2局部脫落，砸中一輛面包車，造成駕駛員1人死亡。

襯砌結(jié)構(gòu)病害直接威脅隧道結(jié)構(gòu)的可靠性，對隧道結(jié)構(gòu)及隧道內(nèi)車輛的行駛安全造成隱患，使隧道的適用性減弱，病害發(fā)展則會降低隧道結(jié)構(gòu)的耐久性。對于襯砌加固采用的方案要具有較強可操作性，且與施工條件、施工材料及工藝密切聯(lián)系，襯砌加固補強要盡可能地保持原來結(jié)構(gòu)的完整性[2]。近年來隧道病害處治已引起管理人員和技術(shù)人員的高度重視，隧道病害處治和加固成為隧道工作者新的研究方向，碳纖維、鋼帶、纖維混凝土、結(jié)構(gòu)膠、波形鋼板、型鋼等在隧道結(jié)構(gòu)性病害加固中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是W鋼帶具有強度高、厚度薄、加工容易、施工速度快、空間占用小等優(yōu)點，在隧道病害處治加固中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)形式

W鋼帶橫斷面為“W”形，是一種新型的隧道病害加固支護材料，由于冷軋硬化的作用,與普通鋼帶相比，它具有更高的抗拉強度、抗彎模量和剛度[3]。W鋼帶與錨桿、錨栓相結(jié)合形成肋拱形承載結(jié)構(gòu)，顯著提高原隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載能力。常用截面寬度為:180 mm、200 mm、220 mm、250 mm、280 mm、300 mm；厚度為2.5 mm、2.75 mm、3.0 mm。W鋼帶具有以下優(yōu)點：

a）具有較高的抗拉強度、抗彎模量和剛度。W鋼帶與平鋼帶相比抗彎截面模量提高37倍；不易撕裂，剛度提高70倍左右，冷軋過程中的硬化作用，抗拉強度提高12%～15%。

b）寬度為 180～300 mm，厚度為 2.5～3.0 mm，施工中結(jié)合黏結(jié)劑和錨栓安裝，與隧道襯砌貼合緊密，具有板材輕便、貼合度高、支撐受力迅速、協(xié)調(diào)變形能力強、施工便捷、對交通影響小等特點。

c）幾乎不占用隧道空間，隧道建筑限界寬度《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3307.1—2018）的規(guī)定較《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004）寬，因此早期修建的隧道斷面相對較小、建筑限界難以達到新規(guī)范要求，在此情況下采用W鋼帶加固具有明顯的空間優(yōu)勢。

d）采用的化學(xué)錨栓一般長度為16 cm，不會破壞防水層，施工后不會產(chǎn)生新的病害。

圖1 一般隧道用W鋼帶截面（單位：mm）

圖2 W鋼帶加固設(shè)計圖（環(huán)向）

圖3 W鋼帶加固設(shè)計圖（縱向布置）

2 加固機理

W鋼帶加固法是在病害隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面環(huán)向粘貼W鋼帶，采用錨栓固定，并利用縱向鋼板的連接使得各環(huán)向W鋼帶形成聯(lián)系，協(xié)同受力；利用W鋼帶的高強度、高剛度特性形成肋拱結(jié)構(gòu)，達到從隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面加固隧道結(jié)構(gòu)的目的，W鋼帶加固主要適用于隧道二襯結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂、變形，二襯強度不足等情況。

W鋼帶加固隧道結(jié)構(gòu)是混凝土（或鋼筋混凝土）與鋼帶兩種特性不同的材料經(jīng)黏合劑、錨栓連接為一體，當(dāng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖壓力、水壓等作用下產(chǎn)生變形時，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)鼓、錯位、扭曲等形變，W鋼帶依靠其與混凝土之間的黏結(jié)強度和錨栓的咬合強度，以及W鋼帶的抗壓、抗剪、抗彎能力承受二襯結(jié)構(gòu)傳遞出來的壓力；同時，W鋼帶抵抗隧道結(jié)構(gòu)的變形作用增強了隧道結(jié)構(gòu)的嵌合作用，使得隧道結(jié)構(gòu)整體性增強，抵抗圍巖變形的能力也相應(yīng)增加。W鋼帶粘貼在隧道二襯內(nèi)表面形成肋拱結(jié)構(gòu)，限制圍巖變形和裂縫的發(fā)展，與隧道結(jié)構(gòu)成為一體，共同承受圍巖壓力，協(xié)同變形，使得隧道結(jié)構(gòu)在處治后趨于新的穩(wěn)定狀態(tài)。W鋼帶正截面承受彎矩如：

式中：M為襯砌彎矩設(shè)計值；x為受壓區(qū)襯砌高度；b、h為計算矩形截面的寬度、高度；Asp、Asp'為W鋼帶受拉橫截面面積、受壓橫截面面積；As0、As0'為W鋼筋受拉橫截面面積、受壓橫截面面積；fsp、fsp'為W鋼板抗拉強度設(shè)計值、抗壓強度設(shè)計值；a'為受壓鋼筋合力點到橫截面近邊的距離；h0為原構(gòu)件截面有效高度；ψsp為由于二次受力影響，受拉鋼板的折減系數(shù)，當(dāng)ψsp＞1.0時，取ψsp=1.0；εcu為襯砌混凝土極限壓應(yīng)變，取εcu=0.0033；εsp0為考慮受拉鋼板的應(yīng)變滯后，若不考慮二次受力影響，取εsp0=0。

3 施工工藝

3.1 混凝土基面處理

根據(jù)設(shè)計文件W鋼帶和縱向鋼板位置、厚度，在隧道二襯混凝土表面進行銑刨刻槽處理，保證粘貼基面平整圓順，要求平整度小于等于1.5 mm/m。采用高壓風(fēng)槍將混凝土銑刨表面清理干凈。

3.2 鋼帶制作

a）W鋼帶和縱向鋼板根據(jù)設(shè)計文件采用工廠壓制、剪裁成型。

b）W鋼帶和縱向鋼板黏結(jié)面須具備一定的粗糙度便于黏結(jié)，施工現(xiàn)場采用除銹機打磨使得鋼板露出金屬光澤，并用脫脂棉沾丙酮將W鋼帶和縱向鋼板表面擦拭干凈。

c）施工現(xiàn)場依據(jù)設(shè)計要求在隧道二襯、W鋼帶和縱向鋼板上放樣鉆孔。

3.3 安裝工藝

a）配制錨栓膠，在二襯鉆孔位置埋植全螺紋錨栓。

b）采用隧道專用臺架固定縱向鋼板，在二襯縱向刻槽表面和縱向鋼板上涂刷膠黏劑，固定安裝縱向鋼板。

c）采用隧道專用臺架架設(shè)固定W鋼帶，在二襯環(huán)向刻槽表面和W鋼帶上涂刷膠黏劑，固定安裝W鋼帶。

d）經(jīng)檢驗確認W鋼帶（鋼板）與二襯結(jié)構(gòu)粘貼固化密實效果可靠后，清除鋼帶表面污垢，在W鋼帶（鋼板）外露面涂刷面漆4道進行表面防腐處理。

4 工程應(yīng)用及效果

臨汾至吉縣（壺口）高速公路于2009年8月開工建設(shè)，2012年8月通車。自2013年7月出現(xiàn)病害以來，于2014年和2015年實施了兩次病害處治，但病害段落襯砌變形一直未收斂，同時還發(fā)展至鄰近段落。2020年實施了高家河隧道專項病害處治工程，其中隧道左線ZK994+590—ZK994+680段左側(cè)拱肩存在3～5 mm縱向通長裂縫，裂縫基本貫通，同時分布有其他縱向、斜向、環(huán)向裂縫。隧道二襯為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、設(shè)置仰拱；該段采用粘貼W鋼帶的加固措施（圖4、圖 5）。

圖4 W鋼帶加固設(shè)計

圖5 W鋼帶施工中

高家河隧道病害處治工程于2020年8月完工，經(jīng)過近2年的運營，W鋼帶已與隧道結(jié)構(gòu)融為一體，有效抑制了隧道變形的發(fā)展。隧道裂縫處通過貼玻璃片進行監(jiān)測，2020年10月以來，26處貼片僅斷裂2處；通過預(yù)留監(jiān)控量測點進行隧道二次襯砌斷面變化監(jiān)測顯示（見表1），進行W鋼帶加固處治后的2020年10月—2021年9月間，3個監(jiān)測斷面隧道襯砌變形量均在1 mm以內(nèi)，與之前監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，隧道二襯變形已明顯收斂，表明隧道結(jié)構(gòu)已處于安全狀態(tài)，W鋼帶在處治高家河隧道結(jié)構(gòu)病害中取得了良好的加固效果。

表1 高家河隧道二次襯砌監(jiān)測變形值

5 結(jié)語

二襯厚度不足、開裂、變形是隧道中常見的病害，病害隧道也多在《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3307.1—2018）頒布之前建設(shè)，隧道斷面難以達到新規(guī)范要求。W鋼帶加固法以其高強度、加固效果好、不侵占建筑限界、造價低、施工便捷、工期短等優(yōu)點很好地滿足了公路隧道病害處治中保障暢通、施工迅捷、不得侵限、經(jīng)濟性等要求。近幾年的實踐表明，W鋼帶加固能顯著提高隧道二襯結(jié)構(gòu)強度，有效減緩隧道變形和裂縫發(fā)展，達到處治類似病害的目的，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并產(chǎn)生了良好的社會經(jīng)濟效益。