馬道嶺隧道套拱加固設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

李宇翔,田聽(tīng)雨

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

隨著我國(guó)在役公路隧道里程及運(yùn)營(yíng)年限的不斷增長(zhǎng),隧道運(yùn)營(yíng)的安全性和舒適性受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。文章以綏珠線馬道嶺隧道提質(zhì)升級(jí)為背景[1],對(duì)隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生機(jī)理及治理方案進(jìn)行分析,并確定以“裂縫修補(bǔ)+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”的方案對(duì)襯砌開(kāi)裂段進(jìn)行加固處理[2-5]。

1 工程概況

馬道嶺隧道位于葫蘆島市建昌縣境內(nèi),按二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),為單洞雙向通行隧道,設(shè)計(jì)時(shí)速40km/h,2000年建成通車(chē)。隧道斷面采用曲墻式三心圓拱型結(jié)構(gòu)。隧道全長(zhǎng)458m,埋深0～100m,隧址山體構(gòu)造簡(jiǎn)單,以中風(fēng)化帶和微風(fēng)化白云巖為主。原設(shè)計(jì)中洞身大部分處于微風(fēng)化白云巖中,但節(jié)理裂隙發(fā)育;區(qū)內(nèi)匯水面積不大,地下水類(lèi)型為基巖裂隙潛水,受大氣降水補(bǔ)給,儲(chǔ)水條件差,易于排泄。

隧道按照新奧法原理建設(shè),暗洞采用復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)形式,二次襯砌采用模筑混凝土,初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)防排水夾層。

2 主要病害

2.1 襯砌破損

在提質(zhì)升級(jí)施工過(guò)程中,K62+081.6～K62+167.5段右側(cè)拱腰襯砌出現(xiàn)較嚴(yán)重裂縫且發(fā)展較快,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)K62+081.6～K62+167.5段裂縫已貫通,且寬度較大,其中K62+154～K62+160段襯砌開(kāi)裂較為嚴(yán)重,裂縫寬度約為5mm,裂縫局部邊角破損,同時(shí)有錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象,錯(cuò)臺(tái)高差約為3～5mm(裂縫下端襯砌突出)。通過(guò)探測(cè),其深度最大約為14cm,可能存在裂縫開(kāi)裂傾斜甚至轉(zhuǎn)向情況。同時(shí)K62+092～K62+100段右拱腰、K62+198～K62+202段右拱腰襯砌剝落破損嚴(yán)重,混凝土襯砌結(jié)構(gòu)已開(kāi)裂,其中K62+092～K62+100段局部混凝土已發(fā)生掉落。現(xiàn)場(chǎng)二次襯砌表面裂縫見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)二次襯砌表面裂縫

2.2 襯砌背后存在松散或空洞

分別在拱頂、左拱腰、右拱腰處共布置6條測(cè)線,檢測(cè)結(jié)果顯示初期支護(hù)、二襯背后出現(xiàn)不同程度的不密實(shí)等現(xiàn)象。其中右側(cè)拱腰病害較嚴(yán)重,深度范圍最深至150cm。

在K62+103右側(cè)邊墻距離路面1.5m處采用水平鉆進(jìn)行鉆孔取樣,鉆孔揭示二次襯砌滿足設(shè)計(jì)

表1 部分板塊地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

要求,但二襯背后土體破碎。同時(shí)在對(duì)K62+076.5～K62+077.7段原有二次襯砌進(jìn)行拆除換拱作業(yè)時(shí),右側(cè)拱腰至拱頂處發(fā)生塌方,塌方約50m3,塌方高度約7m,塌落體以碎石為主;據(jù)此分析可知,馬道嶺隧道部分洞身背后的中風(fēng)化白云巖在隧道運(yùn)營(yíng)期風(fēng)化成為松散體,已達(dá)不到原設(shè)計(jì)的三類(lèi)(四級(jí))圍巖要求。

2.3 二次厚度不足

病害檢測(cè)范圍內(nèi),右拱腰實(shí)測(cè)厚度二襯厚度合格率為55.20%,拱頂實(shí)測(cè)厚度二襯厚度合格率為61.50%,左拱腰實(shí)測(cè)厚度二襯厚度合格率為47.10%,左拱腰、右拱腰、拱頂二襯厚度合格率較低,其中K62+148～K62+152段二襯最薄處僅為287mm,厚度嚴(yán)重不足,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 部分板塊地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

3 加固方案

根據(jù)馬道嶺隧道襯砌開(kāi)裂病害的情況分析,同時(shí)結(jié)合施工可行性、運(yùn)營(yíng)安全性和養(yǎng)護(hù)便利性考慮,確定采用“裂縫修補(bǔ)+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”的方案對(duì)襯砌開(kāi)裂段進(jìn)行加固處理。

3.1 裂縫修補(bǔ)

對(duì)裂縫進(jìn)行加固,起到封閉裂縫、阻止襯砌進(jìn)一步開(kāi)裂的作用,施工工藝可分為:先沿裂縫走向兩側(cè)各打入φ42mm×4mm注漿鋼花管,對(duì)裂縫背后空洞或松散體進(jìn)行加固,襯砌與圍巖形成組合拱結(jié)構(gòu),起到綁定加固的目的;然后采取壓力注射法在裂縫間注入裂縫修復(fù)膠,封閉裂縫。

3.2 襯砌背后空洞及不密實(shí)處注漿

檢測(cè)報(bào)告顯示,馬道嶺隧道襯砌背后存在空洞或不密實(shí)狀態(tài)。隨著圍巖不斷風(fēng)化,圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的約束,即彈性抗力系數(shù)減弱,同時(shí)圍巖物理力學(xué)性質(zhì)變差,壓力拱不斷擴(kuò)大,襯砌背后的圍巖壓力增加,這是造成襯砌開(kāi)裂的主要原因之一。因此,通過(guò)注漿鋼花管對(duì)襯砌背后松散體或空洞進(jìn)行注漿加固或充填,可以有效防止襯砌背后的白云巖繼續(xù)風(fēng)化,并改善圍巖物理力學(xué)性能,阻止襯砌背后圍巖壓力繼續(xù)增加,降低襯砌繼續(xù)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 鋼拱架套拱

鋼拱架套拱是此次加固處治的核心。為使原二襯與套拱的結(jié)合面之間有效傳遞剪力,采用在原二襯表面鑿毛、植入鋼拱架、植筋等方法,使新舊結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個(gè)變形協(xié)調(diào)的整體,共同承擔(dān)圍巖荷載,保障施工期及運(yùn)營(yíng)期安全;同時(shí)新增套拱還可以在一定程度上彌補(bǔ)原二襯厚度不足的缺陷。套拱加固工序如下:先在現(xiàn)有二襯表面環(huán)向開(kāi)槽,預(yù)埋工字鋼架,然后在現(xiàn)有二襯表面植筋,并將植筋與鋪設(shè)在鋼拱架表面的鋼筋網(wǎng)焊接,最后澆筑混凝土,以保證現(xiàn)有二襯與套拱的整體性,詳見(jiàn)圖2。

圖2 鋼拱架套拱設(shè)計(jì)示意圖

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 計(jì)算方法

采用Midas有限元計(jì)算軟件,通過(guò)荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算二襯的軸力和彎矩,計(jì)算結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和裂縫寬度,分析裂縫產(chǎn)生的原因及套拱加固的安全性。

4.2 計(jì)算模型

以K62+148～K62+152段為典型斷面,建立二維有限元計(jì)算模型,根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算襯砌荷載。由于馬道嶺隧道建成通車(chē)時(shí)間較長(zhǎng),且原設(shè)計(jì)中初支僅為錨噴網(wǎng)結(jié)構(gòu),初支中不含鋼拱架,整體剛度較弱,故計(jì)算時(shí)圍巖壓力全部由二次襯砌承擔(dān),初期支護(hù)僅作為安全儲(chǔ)備。地層抗力通過(guò)只受壓的非線性彈簧模擬[6],四級(jí)中風(fēng)化圍巖地層抗力系數(shù)采用200MPa/m,通過(guò)將地層抗力系數(shù)減弱為100MPa/m模擬襯砌背后松散體;通過(guò)刪除地層彈簧和荷載模擬襯砌背后空洞,計(jì)算模型圖見(jiàn)圖3。選取拱頂、拱肩、拱墻及拱底共7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分析不同工況下軸力、彎矩的變化,并計(jì)算安全系數(shù)。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

4.3 計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算得到工況一:中風(fēng)化白云巖狀態(tài);工況二:

襯砌背后存在松散體;工況三:襯砌背后存在松散體及右側(cè)拱肩存在溶洞。三種工況下襯砌的受力狀態(tài),各工況下的彎矩、安全系數(shù)及裂縫寬度如圖4所示。

圖4 不同工況下測(cè)點(diǎn)彎矩及安全系數(shù)變化曲線

通過(guò)計(jì)算分析可知,工況一狀態(tài)下,拱腰彎矩最大,安全系數(shù)為3.77,大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)2.0,同時(shí)該工況下結(jié)構(gòu)偏心距較小,裂縫無(wú)需驗(yàn)算。工況二狀態(tài)下,拱頂彎矩最大,此時(shí)安全系數(shù)為2.26,仍大于2.0,但裂縫寬度為0.37mm,說(shuō)明二次襯砌能夠保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定,但裂縫寬度超過(guò)規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)的耐久性要求無(wú)法滿足。工況三狀態(tài)下,由于右側(cè)拱肩位置出現(xiàn)空洞,空洞范圍內(nèi)的二襯缺少?lài)鷰r約束,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,此時(shí)右拱肩的安全系數(shù)僅為1.51,裂縫寬度為0.61mm,無(wú)論安全系數(shù)還是裂縫寬度,都無(wú)法滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。同時(shí),上述分析均基于既有二襯厚度滿足設(shè)計(jì)要求的550mm的假定,但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),原有二襯厚度合格率較低,最薄弱處厚度僅約為設(shè)計(jì)值的一半,實(shí)際結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和裂縫寬度計(jì)算結(jié)果將更加不利。

綜上所述,原襯砌背后的松散體或空洞及二襯厚度不足是導(dǎo)致馬道嶺隧道K62+081.6～K62+167.5右拱腰襯砌出現(xiàn)較嚴(yán)重裂縫的主要原因之一。

通過(guò)“裂縫修補(bǔ)+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”方案對(duì)襯砌開(kāi)裂段進(jìn)行加固處理后,該加固方案的套拱可視為疊合式套拱,即計(jì)算模型可按照整體受力計(jì)算,新襯砌厚度為現(xiàn)有二襯厚度加套拱厚度。經(jīng)計(jì)算,增設(shè)套拱后的新二襯最薄弱處厚度為537mm,大致等于原設(shè)計(jì)厚度,但增設(shè)鋼拱架混凝土套拱可以起到提高混凝土標(biāo)號(hào),增加受力鋼筋的作用。經(jīng)計(jì)算,在新二襯最薄弱處增設(shè)套拱后的安全系數(shù)為3.39,裂縫寬度0.16mm,滿足相關(guān)規(guī)范要求,證明了疊合式套拱結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。增設(shè)套拱后的彎矩云圖見(jiàn)圖5。

圖5 增設(shè)套拱后彎矩云圖

5 結(jié)論

馬道嶺隧道存在縱向裂縫貫通、襯砌剝落破損嚴(yán)重、襯砌背后存在松散或空洞、二次厚度不足等諸多嚴(yán)重病害,采用“裂縫修補(bǔ)+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”方案對(duì)襯砌開(kāi)裂段進(jìn)行加固處理,總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn):

(1)襯砌背后松散體降低圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的約束,存在的空洞產(chǎn)生應(yīng)力集中,同時(shí)現(xiàn)有二襯厚度不足,諸多不利因素疊加降低結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),導(dǎo)致馬道嶺隧道襯砌出現(xiàn)較嚴(yán)重裂縫病害。

(2)疊合式套拱是此次加固處治的核心。采用在原二襯表面鑿毛、植入鋼拱架、植筋等方法,新舊結(jié)構(gòu)將結(jié)合成一個(gè)變形協(xié)調(diào)的整體,共同承擔(dān)圍巖荷載;疊合式套拱不僅可以起到支撐加固的作用,還可以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)缺陷。

(3)套拱施工時(shí)應(yīng)充分重視裂縫兩側(cè)注漿和襯砌背后空洞及不密實(shí)處注漿工作,從而有效減少后期病害的發(fā)生。新建隧道結(jié)構(gòu)施工時(shí)也應(yīng)充分重視松散體和空洞的處理問(wèn)題,防止隧道運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)類(lèi)似馬道嶺隧道的縱向裂縫貫通問(wèn)題。