偏壓連拱隧道結構加固方案的數值模擬研究

王 雄,劉曉祥,畢鈦俊

(1.云南交投集團投資有限公司, 云南 昆明 650000;2.云南交投集團公路建設有限公司, 云南 昆明 650000;3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430071)

高速公路設計時由于連拱隧道結構的經濟性較好,在交通建設中的應用越來越多。因地形地貌和結構自身特點,隧道結構在建成后常出現局部裂縫和變形等工程質量問題,甚至在建設過程中也會出現早期裂縫,嚴重危害到隧道結構的安全性和完整性。諸多學者針對連拱隧道結構的力學性能和加固方式展開了研究,李向凱等[1]對既有地鐵結構下穿連拱隧道的預加固方案及開挖工法進行了比選研究。秦成偉[2]對大跨度連拱隧道下穿既有軌道交通線路擾動機理與超前預加固技術進行了研究。張成良等[3]研究某偏壓連拱隧道的裂縫特征和發育特點,通過分析裂縫產生原因確定了合理的加固措施。劉凡[4]利用理論解析法、數值分析法并結合現場實測數據全面系統對比分析項目的地表變形。邵康[5]提出一種滑坡地段隧道局部加固結構,并研究了隧道加固結構的整體受力特點與變形趨勢。徐春紅等[6]依托工程實際運用FLAC3D數值軟件分析隧道管棚的超前支護特性及加固效果。段軍等[7]基于某高速公路雙連拱隧道洞口段圍巖失穩監測數據,分析研究洞口段圍巖的加固措施并取得成功應用;張成良等[8]結合現場地形地質條件、施工工藝、裂縫分布規律和發育特點及產生原因,確定了聯合加固處理措施。李向凱等[1]采用有限元方法比較研究了雙連拱隧道的下穿地鐵U型槽預加固和開挖工法。Kong F C等[9]研究并總結了常見的連拱隧道變形特點。也有研究者在桿系構件中安裝光纖,并將其緊密貼合于隧道結構內側實現連拱隧道的變形監測[10-11]。

由于連拱隧道結構復雜、跨度大,兩側隧洞的開挖和支護交錯進行,隧道圍巖和支護結構受到多次施工影響和擾動,其力學行為十分復雜,加之連拱隧道設計段經常存在淺埋、偏壓和地質環境復雜等不利條件使得連拱隧道的設計與施工都更為困難。與傳統隧道雙洞同步開挖方式不同,連拱隧道常采用先行與后行方式掘進,先行洞需承載后行洞以及鋼拱架導致的偏壓作用和后行洞爆破的振動效應,對先行洞的初支和二襯要求非常高。若施工工藝控制不當或地質條件異常等因素,常導致隧道結構中墻或其他部位出現裂縫開展,建成運營后隧道結構因受地下水侵蝕等影響對結構安全造成潛在威脅。圖1所示為某隧道結構邊墻裂縫擴展導致的局部破損。

圖1 連拱隧道施工邊墻開裂

1 隧道加固技術闡述

結構工程加固常用方法有粘鋼法、加大截面法、粘碳纖維布、體系置換法、植筋法等。加固方法的選擇需兼顧承載需求、結構特征及施工便利等多種因素。隧道襯砌結構作為一種特殊的結構工程,需考慮自身力學承載機制和特征選取適用的加固方法。下面依據國內外有關隧道加固技術進展簡要闡述隧道加固常用技術。

1.1 裂縫處理

根據國內外工程經驗,當結構的細小裂縫對承載安全性影響較小時,若裂縫寬度小于1 mm可用高強度密封砂漿在結構表面涂抹,保護內部鋼筋防止氧化,并起到阻止裂縫發展的作用;若裂縫寬度大于1 mm時,裂縫的存在可對結構鋼筋和混凝土的性能造成影響,除需對裂縫進行表面封閉處理外,還應對裂縫內部空隙采用注射或高壓灌注膠體等方法進行填充。

具體可參考據程崇國等[12]統計運營公路隧道隨機襯砌裂縫進行的相關研究,研究結果提出了針對無水和有水條件下的兩類裂縫工程處治措施。

1.2 嵌拱(軌)及鋼帶加固

若隧道襯砌裂縫雖較多,但對隧道結構承載能力影響較小時,可采用鋼帶或嵌拱(軌)網片加噴射混凝土的方法進行結構加固。

這一方法是將鋼帶(鋼拱架或鋼軌)埋設于襯砌結構的內環向形成環形拱構造,實現提升結構截面剛度效果,達到有效支撐襯砌結構目的。

具體施工時可根據工程緊急程度或加固目的等因素選擇直接鑿槽安裝在原襯砌內,也可施作于襯砌外。具體可參考吳夢軍等[13]和肖中林等[14]針對這加固方式采取的鑿槽嵌拱處治隧道裂損襯砌方法的工藝流程、施工要點研究。

1.3 套拱加固技術

套拱加固技術是指當隧道空間足夠且襯砌結構存在一定的承載能力時,通過重新在既有隧道襯砌外施作套拱結構實現結構加固,不僅充分利用原有結構承載能力,而且將原結構與新結構緊密聯合,實現共同承載圍巖壓力的目的。

具體而言,按照施作空間的范圍不同可將套拱結構加固技術分為整體式和和局部式。為保證新舊拱結構的連接安全可靠,需在加固施工前對結構混凝土進行局部鑿除或表面處理。相關研究可參考劉學增等[15]根據試驗研究提出的疊合式套拱受彎承載力的計算方法。

1.4 襯砌換拱

當原有隧道結構凈空不允許時或已失去承載能力時,且采用前述加固方法無法達到隧道結構安全承載要求時,則需考慮對原襯砌結構進行結構替換。具體更換方式可分為整體全換和局部結構替換。

科技的發展使得隧道換拱結構病害處治技術不斷更新,各種新材料和新技術在交通工程中得到推廣和運用,建筑結構加固技術中諸如噴射碳(鋼)纖維混凝土加網片[16]、粘碳(芳綸)纖維板(布)法[17]、粘鋼法[18]等方法也逐漸引入隧道結構加固工程中。

根據上述常用的隧道結構加固技術可知,確定隧道修復技術方案時需綜合考慮施工工藝復雜性、襯砌結構特征以及工程造價和營運壓力等因素。綜合選定的加固方案設計目標,一是有效提升結構自身承載力,二是阻止或預防其它如滲漏水等衍生病害。尤其在隧道建成后的運營養護期,因諸多不確定因素導致襯砌裂損和交通運行的運營壓力巨大的背景下,便捷的加固處治技術更是有著廣泛的應用前景。

綜合上述相關研究成果來看,諸多學者針對隧道結構不同部位的加固方式與加固效果進行了探討。隧道結構在建成后的運營期,由于地質環境中地下水的侵蝕或地表改造等原因,導致初期支護體系鋼筋容易銹蝕,加之混凝土老化及圍巖流變效應等原因,原隧道結構部分支護錨桿或鋼結構體系等將逐漸失效,原隧道結構即從初期支護體系為主的承載狀態逐漸轉變為由二次襯砌作為主要承載體系,因此對隧道結構二襯的承載性能及其變化規律進行研究就尤為重要。建成后的隧道結構,由于施工條件受限于空間,結構加固既需考慮增強結構承載力,也需兼顧運營期隧道結構的結構裂縫控制與后期維護。考慮隧道結構自身拱形構造特點,本研究擬采取拱壁粘鋼加固與型鋼拱架加固的方式,通過數值模擬計算對比隧道結構的加固效果,探究兩種加固方式對結構承載的影響和加固性能差異,以便為工程結構加固的設計與實踐提供借鑒和參考。

2 連拱隧道加固方案數值模擬研究

2.1 工程概況

某高速主路線全長214 km,公路主線建設標準為雙向四車道,路基寬度為25.5 m,設計行車速度80 km/h。其中某連拱隧道為雙向四車道,單幅全長455 m,最大埋深64 m。

隧道圍巖部分為泥質粉砂巖、中風化泥巖、泥質粉砂巖,巖體裂隙發育、巖體破碎、巖質軟,其他區段圍巖主要由碎石土和粉砂巖組成,巖體呈中強風化,中厚層狀構造,節理裂隙較為發育,巖體結構破碎且富水性較強,多呈碎石狀體結構。經地質勘察Ⅴ級圍巖段累計長度約1 500 m,Ⅳ級圍巖段累計長度約200 m。隧道結構左幅斷面設計尺寸如圖2所示。

圖2 連拱隧道左幅斷面截面設計尺寸

2.2 加固方案的數值模擬研究

根據上述加固方法和工藝分析,結合連拱隧道結構特點和后期維護便利的需求,考慮采用加固施工速度快、加固效果明顯的粘鋼和型鋼拱架加固兩種方式進行數值仿真模擬,通過對比加固前后隧道結構和加固構件的應力變形變化特征,探索一種經濟簡便的連拱隧道加固方式。

數值仿真采用ANSYS有限元軟件,根據隧道所處地質條件,以及相關規范《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2019)、《巖土工程勘察規范》(DBJ 13-84—2006)等,計算時確定材料參數取值見表1。為增大隧道結構承受的圍巖荷載,呈現加固結構前后應力和變形的差異,圍巖的彈性模量參數取值較低。

表1 數值模擬計算參數取值

隧道位于邊坡下埋深約10 m～20 m處,邊坡坡度30°,山體底部和四邊添加約束后,連拱隧道的數值模型如圖3所示。其中,型鋼采用梁單元beam188,圍巖采用實體單元solid186,鋼板采用殼單元shell181,型鋼加固模型單元總數374 612,粘鋼加固模型單元總數426 127。

圖3 連拱隧道數值模型

2.3 粘鋼加固

粘鋼加固方式,一方面增強了隧道拱形結構自承載能力,另一方面可以通過裂縫修補以及膠體與墻壁的緊密粘貼,起到防水隔水效果。結合工程實際和施工工藝考慮,經試算模擬后擬定粘鋼加固鋼板厚度10 mm,間距1 m。

具體方案如表2所示。

表2 粘鋼加固方案計算工況

以工況2和工況3為例,粘鋼板部位的數值模型如圖4所示。

圖4 粘鋼加固方案模型

工況1—工況5隧道結構混凝土和鋼材的應力變形計算結果如圖5—圖9所示,應力和位移單位分別為Pa和m。

圖5 工況1隧道結構混凝土應力和變形云圖

圖6 工況2隧道結構混凝土、鋼材的應力和變形云圖

圖7 工況3隧道結構混凝土、鋼材的應力和變形云圖

圖8 工況4隧道結構混凝土、鋼材的應力和變形云圖

圖9 工況5隧道結構混凝土、鋼材的應力和變形云圖

粘鋼加固方案計算結果(見表3)顯示,工況2—工況5的加固方案在粘鋼加固后隧道結構的混凝土拉應力均有所降低,隧道結構的變形減小,這表明粘鋼加固隧道的加固效果明顯。其中,混凝土拉應力極值出現在中墻下部基礎部位,此外變形云圖顯示,在坡體偏壓作用下,加固前后的隧道結構,靠近坡體深部的隧洞變形較大,淺部隧洞變形小,這表明由于偏壓作用導致連拱隧道結構左右側隧洞結構變形有明顯差異。據此現象可知,若先行洞位于坡體深部時,需對深部隧洞結構的變形進行嚴密觀測,嚴格控制工藝程序,謹慎施工。

2.4 型鋼拱架加固

型鋼拱架加固方式,一方面可顯著增強隧道結構承載能力,但另一方面受限于隧道結構空間,拱型鋼截面尺寸不能取值太大,初步擬定型鋼拱架加固方式如表4所示。

表4 型鋼拱架加固方案計算工況

拱架選擇工字型組合截面250×125×10×12(mm),間距1 m。型鋼拱架加固數值模型如圖10所示。

圖10 型鋼拱架加固方案模型

工況6—工況8隧道結構混凝土和鋼材的應力變形計算結果如圖11—圖13所示,應力和位移單位分別為Pa和m。表5為工況6—工況8型鋼拱架加固計算結果。

圖11 工況6隧道結構混凝土、鋼材的應力和變形云圖

圖12 工況7隧道結構混凝土、鋼材的應力和變形云圖

圖13 工況8隧道結構混凝土、鋼材的應力和變形云圖

表5 工況6—工況8型鋼拱架加固方案計算結果

上述工況6—工況8的計算云圖結果顯示,型鋼拱架加固方案的混凝土在隧道結構加固后拉應力和壓應力均有所降低,隧道結構的變形也相應減小,這表明型鋼拱架加固隧道的加固效果明顯。其中,混凝土拉應力極值依然出現在中墻下部基礎部位,此外變形云圖顯示在坡體偏壓作用下,靠近坡體深部的隧洞變形較淺部隧洞更大。

2.5 數值模擬結果分析

從隧道結構混凝土的最大拉應力來看,粘鋼效果優于型鋼拱架方案;其中,對深部先行洞先進行加固效果更優,混凝土最大拉應力降低58%,后行洞先行加固混凝土最大拉應力降低33%,結合前述隧道結構變形云圖來看,先行加固深部隧道更為合適。

除工況2以外采取粘鋼或型鋼拱架的加固方案后隧道結構混凝土應力降低,隧道結構變形較小。工況2因鋼板沿著隧道軸向即縱向粘貼,未能形成隧道承載的拱效應,并因此導致中墻粘鋼部位剛度增大并引起混凝土應力異常。但從隧道混凝土最大壓應力來看,縱向粘貼鋼板可有效降低隧道結構的混凝土壓應力,可考慮作為加固方案的輔助構造措施。

從隧道結構混凝土最大壓應力來看,粘鋼加固可略降低其應力值,型鋼拱架方案則相反,混凝土壓應力值略有增加。

從隧道結構最大變形量來看,粘鋼加固與型鋼拱架方案加固效果相當,且因圍巖彈性模量參數取值較低,表中數據顯示加固后隧道結構的最大變形量減小幅度約為78%,這表明對于較弱的圍巖地質條件,隧道結構加固后的變形量將顯著降低。

從隧道結構鋼板承載后的應力水平來看,工況3和工況6對深部先行洞加固后鋼板的應力大于對后行淺部隧洞的加固工況4和工況7。若先行洞與后行洞同時加固,則效果等同于加固先行洞。考慮連拱隧道深部隧道變形大于淺部隧洞,且數值計算時圍巖參數取值較低,建議工程實踐時先行洞與后行洞同時進行加固。

3 結 論

綜上所述,通過對連拱隧道結構進行粘鋼加固與型鋼拱架加固的數值計算分析,形成主要結論如下:

(1) 數值計算云圖與計算結果的對比研究表明,粘鋼加固與型鋼拱架方案均可有效降低隧道結構應力水平,減小隧道結構變形。

(2) 兩個加固方案比較而言,粘鋼加固時隧道結構混凝土拉壓應力水平較型鋼拱架加固方案更低,考慮型鋼拱架可為粘鋼加固時提供側邊約束,加固處理可將兩種方式進行聯合設計。

(3) 連拱隧道深部先行洞與淺部后行洞加固順序對結構混凝土應力有影響,考慮實際圍巖條件下圍巖參數取值變大,綜合比較隧道結構變形趨勢和鋼板應力水平因素,建議對兩個隧道洞進行同時加固。