既有隧道仰拱病害整治措施研究

劉 曼

(河北省石家莊市西柏坡高速公路管理處 石家莊市 050299)

0 引言

1 仰拱病害缺陷整治加固機理

在不拆除重新施做鋪底的情況下，采用在襯砌結構墻腳處加設錨桿，用錨桿來約束隧道的周邊位移，同時，在隧道底注漿，以提高隧道底圍巖承載能力，從而彌補隧道因仰拱填充厚度不足或缺失而喪失的功能，以滿足隧道正常使用要求。

通過力學計算，分析襯砌結構仰拱及邊墻內力，為錨桿加固設計及控制注漿效果提供定量指標，結構計算參數根據規范選取，采用有仰拱與無仰拱兩種情況中最不利時的隧道墻腳處最大剪力和軸力進行加固設計，提出整治措施。

2 隧道仰拱病害檢測結果

根據現場鉆芯數據，五處里程段仰拱填充厚度均存在不同程度的缺陷，如表1所示。

表1 現場鉆芯取樣情況一覽表

3 計算模型

本次運用有限元計算軟件，結合隧道設計規范要求，采用荷載-結構模型進行模擬計算，確定不同工況下隧道結構典型斷面處的內力。并假設襯砌四周約束按照均布地基彈簧考慮，其中襯砌結構采用彈性梁單元，地基采用彈簧單元表示[3]。有仰拱隧道、無仰拱隧道計算模型分別見圖1、圖2。

圖1 有仰拱隧道計算模型

圖2 無仰拱隧道計算模型

4 數值模擬分析

4.1 整治前計算分析

按照荷載—結構法進行結構計算，統計K707+500～K707+520里程段有仰拱與無仰拱兩種情況下結構的內力情況，得到墻腳處單元的最大剪力及軸力如表2所示。

表2 墻腳處單元最大剪力及軸力統計表

由表2可知，仰拱在襯砌受剪方面作用非常明顯，無仰拱時對墻腳處剪力的影響約27.7%～57.7%。

4.2 擬采用的整治措施

當仰拱不能正常工作時，可考慮在墻腳處加設注漿中空錨桿，墻腳處出現的剪力由注漿中空錨桿承擔，以保證結構安全。在不同地質條件下注漿中空錨桿承載力有較大差別，為確保注漿中空錨桿能安全應用于本次需補強的隧道地段，對上述5處隧道承載力進行計算分析。

整治擬采用Φ32×6(Q345)自進式中空錨桿(5m/根)對相關隧道斷面進行補強，單根注漿中空錨桿的承載力由巖石與水泥結石體之間的粘結承載力、鋼筋與水泥漿之間的粘結承載力和注漿中空錨桿錨桿體承載力三者中的較小值控制。

爐膛四周布置有膜式水冷壁，水冷屏和汽冷屏等。在自然水循環時，膜式水冷壁和水冷屏的傳熱溫差相同，而與汽冷屏的傳熱溫差不同，所以在計算傳熱系數和傳熱時，要分別進行計算，但文中所分析循環流化床鍋爐無汽冷屏，而其二級過熱器位于爐膛內部，所以只分析爐膛即可。

4.3 注漿中空錨桿受力計算

4.3.1巖石與水泥結石體之間的粘結承載力

巖石與水泥結石體之間的粘結承載力計算公式[4]為：

(1)

式中：La為錨固段長度(mm)；Nt為錨桿軸向拉力設計值(kN)；K為安全系數，錨桿服務年限大于2年，危害大，會出現公共安全問題取2.2；D為錨固體直徑(mm)；qr為水泥結石體與巖石孔壁間的粘結強度設計值，取0.8倍標準值。

4.3.2鋼筋與水泥漿之間的粘結承載力

鋼筋與水泥漿之間的粘結承載力計算公式[5]為：

(2)

式中：La為錨固段長度(mm)；Nt為錨桿軸向拉力設計值(kN)；K為安全系數，錨桿服務年限大于2年，危害大，會出現公共安全問題取2.2；d為錨固體直徑(mm)；qs為水泥結石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結強度設計值，取0.8倍標準值；n為鋼絞線或鋼筋根數；ε為采用2根或2根以上鋼絞線或鋼筋時，介面粘結強度降低系數取0.60～0.85。

4.3.3注漿中空錨桿中空錨桿體承載力

注漿中空錨桿中空錨桿體承載力計算公式[6]為：

Nt=Afscd

(3)

式中：Nt為錨桿軸向拉力設計值(kN)；A為錨固體直徑(mm)；fscd為錨桿體材料的抗拉強度設計值，對于HRB335級鋼取268MPa。

按照式(1)～式(3)計算得到單根注漿中空錨桿的承載力(包括巖石與水泥結石體之間的粘結承載力、鋼筋與水泥漿之間的粘結承載力和注漿中空錨桿中空錨桿體承載力)如表3所示。

由表3可知，對于需要補強的地段，單根注漿中空錨桿的承載力均由注漿中空錨桿錨桿體承載力控制為131.28kN，考慮現場施工等因素，確定本次中空錨桿的設計拉拔力為120kN。根據上述計算結果并結合墻腳最大剪力情況，計算各隧道需要補強處的錨桿需求如表4所示。

表3 單根注漿中空錨桿的承載力計算表

表4 隧道補強錨桿需求表

4.4 整治措施計算分析

當忽略仰拱的作用時，拱圈及邊墻所承擔的荷載通過軸力傳遞到墻腳，故需保證墻腳處圍巖有足夠的抗壓承載能力。現根據無仰拱情況下墻腳處的軸力計算墻腳處的圍巖所承擔的壓應力，圍巖的受力面積可偏安全地取為墻腳處二襯橫截面積。計算得忽略仰拱作用時墻腳處的圍巖壓力如表5所示。

表5 墻腳處圍巖承載能力最低要求值計算

由表5可以看出，墻腳處圍巖壓力最大值為0.48MPa。考慮到圍巖的風化、節理及裂隙發育等因素，采用5m長Φ32mm中空注漿錨桿按照2m間距對墻腳下方圍巖進行注漿加固，提高基底承載能力，并以加固后圍巖抗壓強度不低于30MPa為控制指標。

5 結束語

工程實施后，地下水不發育地段采用常規工藝整治后效果良好；地下水發育地段，通過摻加一定量的水玻璃達到了較好的整治效果。

綜上所述，仰拱在襯砌受剪方面作用非常明顯。當運營期隧道仰拱存在厚度不足或缺失時，可在墻腳處采取中空注漿錨桿加固與底板注漿加固相結合的定量設計方法，確保隧道營運的安全。