基于隧道防水板切割襯砌混凝土的套襯補強研究

龔興旺

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031； 2.交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

通過對近幾年運營隧道檢測和調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)隧道普遍存在襯砌拱頂防水板切割[1]襯砌混凝土問題，該問題實屬隧道質(zhì)量缺陷。雖短時內(nèi)隧道仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但對于防水板切割襯砌拱頂混凝土，造成拱頂混凝土脫空程度較大、厚度較薄時，隨圍巖及材料劣化及周圍環(huán)境的變化，很可能導致較薄襯砌開裂、掉塊或脫空上方掉落沖擊而影響運營安全，故必須對探明的問題進行處治。目前主要的修補方案包括格構(gòu)法補強、套襯加固[2]、鑿除重建甚至利用波紋鋼[3]進行補強，本文只針對套襯加固補強方案進行研究，驗證套襯補強方案的合理性。

1 工程概況

常家院子隧道全長305 m，最大埋深約47 m。本隧為客貨共線，旅客列車設計行車速度200 km/h并開行雙層集裝箱單線隧道。除進口12 m采用明洞，其余采用復合式襯砌，III級復合式襯砌為C30混凝土厚35 cm。

隧區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，丘槽相間，地形起伏大，該隧道上覆第四系全新統(tǒng)坡(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土，厚度0～2 m；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖，強風化帶1～4 m。為單斜構(gòu)造，洞身泥巖質(zhì)軟，巖層近于水平，節(jié)理發(fā)育，地下水不發(fā)育，地下水以孔隙潛水、基巖裂隙水為主，砂巖夾泥巖屬富水性中等含水層組，對混凝土無侵蝕性。

2 缺陷情況及分析

滬蓉線常家院子隧道位于重慶市潼南境內(nèi)，二襯混凝土設計厚度40 cm。防水板切割主要發(fā)生在左偏拱頂處。

K1750+212.5～+216.5(洞身標123.5～127.5)左拱腰防水板切割襯砌(防水板后為灌漿膠凝體)，導致襯砌表面敲擊空響，空響范圍長2 m×寬2 m，且被切割襯砌表面存在縱、環(huán)向網(wǎng)狀閉合裂縫，裂縫最長達5 m、寬度2 mm，并有錯臺，且裂縫較上次檢查有明顯發(fā)展，裂縫延長約0.5 m(圖1)。

圖1 常家院子缺陷平面

3 加固方案

病害整治措施為套襯加固方案，套襯采用25 cm厚C40細石(自密實)模筑鋼筋混凝土，需采取合理的配合比施工措施，保證既有線模筑混凝土澆筑質(zhì)量。套襯施作前需將原有襯砌表面鑿毛處理，鑿毛后露出的新鮮混凝土面積不低于總面積的75%，鑿毛面用清水清理干凈，并不得積水，然后涂刷界面劑，以保證新舊混凝土連接良好，新舊混凝土面處理應符合Q/CR9207-2017《鐵路混凝土工程施工技術規(guī)程》的規(guī)定。

在對缺陷部位開天窗鑿除后，通過模筑混凝土修補受損的襯砌混凝土，再對襯砌缺陷部位設置整環(huán)套襯，保證結(jié)構(gòu)具有極大的安全儲備。套襯加固整治圖及鋼筋布置示意如圖2所示。

圖2 套襯加固整治

4 計算分析

4.1 計算過程

取隧道埋深40 m，隧道初支厚度20 cm，襯砌厚度40 cm，通過地層的地應力平衡得到初始地應力，結(jié)構(gòu)-圍巖荷載通過三維的地層-結(jié)構(gòu)模型進行傳遞。地層圍巖采用摩爾庫倫模型，結(jié)構(gòu)采用彈性模型，圍巖與結(jié)構(gòu)均為實體單元，分別考慮防水板切割襯砌混凝土時襯砌結(jié)構(gòu)應力變化情況，并與開窗修補、套襯加固后襯砌結(jié)構(gòu)的應力進行對比分析。

4.2 模型建立

通過建立三維有限元模型進行數(shù)值模擬計算，模型建立過程中對前后左右邊界施加法向約束，模型底部施加豎向位移約束，頂部為自由面。模型長寬高尺寸分別為：90 m(L)×10 m(W)×80 m(H)，根據(jù)圣維南原理，模型邊界取隧道半徑的3～5倍以上，便可忽略邊界效應對隧道結(jié)構(gòu)應力的影響。數(shù)值模型如圖3所示，防水板切割襯砌混凝土側(cè)面如圖4所示，數(shù)值模型套襯加固結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 三維數(shù)值模型

圖4 防水板切割襯砌側(cè)面圖

圖5 套襯加固

4.3 計算參數(shù)

本計算所涉及到隧道結(jié)構(gòu)混凝土及套襯混凝土參數(shù)取值見表1和表2。

4.4 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

選取襯砌左偏拱頂缺陷部位，對該部位進行局部研究，分析該部位在這3個階段下，襯砌結(jié)構(gòu)的應力變化情況，從而驗證套襯加固方案的合理性，具體的最大與最小主應力云圖如圖6～圖8所示。

表1 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

表2 圍巖計算參數(shù)

圖6 防水板切割混凝土時襯砌應力云圖

圖7 開窗修補后襯砌應力云圖

圖8 套襯加固后襯砌應力云圖

對3個階段下襯砌結(jié)構(gòu)局部的最大與最小主應力進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表3所示。

表3 襯砌最大與最小主應力統(tǒng)計表 單位：MPa

由圖6～圖8、表3可知，防水板切割混凝土后襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應力為0.63 MPa(受拉)，且出現(xiàn)在防水板切割部位，最小主應力為-0.583 MPa(受壓)；開窗修補后，結(jié)構(gòu)的最大與最小主應力分別為0.046 MPa(受拉)，-0.181 MPa(受壓)；在施作套襯后，襯砌結(jié)構(gòu)的大小主應力分別為0.027 MPa(受拉)、-0.037 MPa(受壓)。

相比于防水板切割，套襯加固后襯砌結(jié)構(gòu)的最大與最小主應力均在大幅減小，而與開窗修補后結(jié)構(gòu)的主應力相比，套襯加固能有效減小結(jié)構(gòu)的最小主應力，最大主應力變化不大，即施作套襯后能有效提高結(jié)構(gòu)的安全儲備能力。

由表3可知：①襯砌及套襯結(jié)構(gòu)的最大與最小主應力在以上三個施工階段下均滿足C30和C40混凝土抗拉和抗壓強度設計值；②相比于襯砌切割混凝土時，開窗修補后襯砌結(jié)構(gòu)的最大與最小主應力均有所減小；而在套襯加固后，襯砌結(jié)構(gòu)的最小主應力有明顯減小，最大主應力相比于開窗修補后略微增加。說明施作套襯能提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲備能力。同時也驗證了套襯加固方案在修補防水板切割混凝土時具有一定效果。

5 結(jié)論

經(jīng)過數(shù)值計算可以得到結(jié)論：

(1)防水板切割襯砌混凝土時，結(jié)構(gòu)的主應力會增大，說明結(jié)構(gòu)整體的承載能力會減弱，結(jié)構(gòu)劣化的可能性會增大，整個結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患。

(2)套襯加固對結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性有明顯提高，且能有效保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲備能力。驗證了套襯加固方案在整治防水板切割混凝土時具有一定效果和實際意義。

(3)套襯修補加固若按照加固方案進行施工組織，能高效地消除防水板切割等質(zhì)量缺陷帶來的運營安全隱患。同時套襯修補加固方案能有效提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，保證結(jié)構(gòu)與列車行駛的安全。