動靜荷載作用下襯砌裂損原因及加固技術(shù)研究

冷希喬，吳劍，陳禮偉

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731)

動靜荷載作用下襯砌裂損原因及加固技術(shù)研究

冷希喬，吳劍，陳禮偉

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731)

襯砌裂損是運營期隧道工程的主要病害之一，對隧道結(jié)構(gòu)承載力的影響尤為嚴重。本文以某隧道襯砌裂損的病害整治為依托，基于現(xiàn)場調(diào)查和專項檢測對襯砌結(jié)構(gòu)安全進行了評價;同時分析了在動、靜荷載作用下襯砌裂損的原因。計算分析顯示:地震動荷載作用下隧道襯砌變形圖呈y軸對稱，應力圖呈中心對稱;在松散靜荷載作用下采用剛度退化模型的裂損襯砌變形主要為豎直方向變形。而后對病害隧道提出了加固措施，并分別采用松散靜荷載和隧規(guī)塌落拱荷載對裂損襯砌加固后的承載力進行了驗算，為隧道襯砌裂損的加固措施提供了依據(jù)。

隧道工程;襯砌裂損;地震動荷載;松散靜荷載;加固

我國是一個多山的國家，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，公路、鐵路隧道建設(shè)的規(guī)模不斷擴大。隧道結(jié)構(gòu)雖具有良好的承載性和耐久性，但受多種因素影響，一些隧道結(jié)構(gòu)存在著滲漏水、襯砌裂損、基底下沉和翻漿冒泥等病害，為隧道運營期的行車安全帶來隱患。

其中襯砌裂損對隧道結(jié)構(gòu)的影響尤為嚴重，對襯砌裂損的原因分析、理論計算、現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗及加固措施，國內(nèi)已做了許多研究，如陳正勛等［1］基于地震作用對襯砌結(jié)構(gòu)裂損類型及原因進行研究;崔光耀等［2］對震區(qū)公路隧道襯砌震害類型進行了統(tǒng)計分析;肖同剛等［3］采用彈性地基梁法建立了裂縫寬度的間接計算方法;潘洪科等［4］采用鋼弦式頻率測縫計等對襯砌裂縫進行了監(jiān)測;張世殊等［5］基于三維激光掃描技術(shù)對隧道變形進行了測試并對裂縫病害進行了結(jié)構(gòu)荷載反分析研究;仇文革等［6］基于襯砌劣化試驗對襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征進行了研究;陳禮偉［7］對公路隧道病害的原因及處理措施進行了研究;王華勞等［8］對隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向裂縫的安全評價和加固技術(shù)進行了研究。然而，就軟弱圍巖條件，動、靜荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損的原因分析與加固措施計算模型方面還缺乏系統(tǒng)性研究。

本文結(jié)合某隧道病害調(diào)查、專項檢測和有限元計算對隧道襯砌裂損的原因進行了分析，在地震動荷載和松散靜荷載作用下分別對裂損襯砌的應力特征和變形規(guī)律進行了研究，并采用兩種計算模型對加固方案進行了驗證，為隧道襯砌裂損的原因分析及加固措施提供新的思路和建議。

1　工程概況

某隧道為直線、單洞對向行車隧道，設(shè)計行車速度30 km/h;隧道凈寬9.0 m，限高5 m，隧道長4 176 m。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造格局受NE向龍門山構(gòu)造帶控制，地震基本烈度為8度，隧道穿越地層以志留系、泥盆系淺?！獮I海相碳酸巖和碎屑巖為主。隧道緊急停車帶處襯砌出現(xiàn)裂損，該處圍巖級別為Ⅳ級，緊急停車帶斷面開挖寬度約為13.9 m，開挖高度約為10.2 m，二襯為素混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為50 cm。

2　病害調(diào)查、檢測及安全性評價

2.1病害調(diào)查

1)地質(zhì)描述。緊急停車帶處圍巖主要為灰綠色、中層厚狀泥巖夾薄層狀灰?guī)r，部分段落節(jié)理面扭曲脫拉，巖體較破碎;施工階段緊急停車帶處曾發(fā)生高度為2.6 m塌方。說明該段地質(zhì)較差，為松散軟弱圍巖。

2)裂縫調(diào)查。緊急停車帶右拱腰縱向裂縫長約35 m，裂縫最大寬度達10 mm，輕微錯臺;左拱腰縱向裂縫長約35 m，裂縫最大寬度達8 mm，裂縫上側(cè)錯臺凸出。襯砌裂縫裂損示意見圖1。

2.2病害專項檢測

1)襯砌雷達檢測。采用SIR-3000雷達對襯砌裂縫前后約50 m段落進行掃描，探測襯砌裂縫段周圍的不密實情況，拱頂、拱腰及邊墻雷達掃描檢測結(jié)果見表1?；诘刭|(zhì)雷達掃描檢測結(jié)果，說明該段襯砌與周圍圍巖不密貼。根據(jù)研究資料［9］，襯砌和圍巖密貼不密實對結(jié)構(gòu)承載力及結(jié)構(gòu)安全性影響嚴重。

2)裂縫形態(tài)及深度檢測。采用鉆孔取芯對左、右拱腰處二襯的裂縫形態(tài)及發(fā)展深度進行檢測，根據(jù)鉆孔取芯結(jié)果，芯樣裂縫縱向深度達到50 cm，裂縫已貫穿芯樣，說明裂縫已貫穿二襯結(jié)構(gòu)。

3)襯砌強度檢測。采用超聲回彈綜合法對二襯強度進行檢測，檢測結(jié)果表明二襯強度均合格。

2.3病害安全評價

緊急停車帶處襯砌和圍巖密貼不密實，拱腰處縱向裂縫長度為35 m，裂縫已貫穿二襯;根據(jù)規(guī)范［10］結(jié)構(gòu)存在嚴重破壞，已危及行車安全，綜合判定裂縫襯砌隧道安全等級為3A。

圖1　襯砌裂損示意

表1　雷達掃描檢測結(jié)果

3　病害原因分析

3.1地震動荷載對襯砌結(jié)構(gòu)的影響分析

隧址區(qū)位于地震帶，曾受到蘆山7.0級地震及康定6.3級地震的作用，兩處地震震源產(chǎn)生的地震波均與隧道軸線斜交。為評估地震動荷載對襯砌結(jié)構(gòu)的影響，采用平面應變模型對地震動荷載作用下素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的應力特征及變形規(guī)律進行研究。

計算軟件采用Ansys，模型網(wǎng)格兩側(cè)及底部約束，由于無蘆山和康定地震波數(shù)據(jù)，因此地震動荷載采用汶川地震波，阻尼比取0.05，屈服準則為D-P準則。物理力學計算參數(shù)見表2，地震波形圖見圖2，建模圖見圖3。計算t=8.06時刻襯砌的變形及拉應力分別見圖4和圖5。

表2　計算參數(shù)

圖2　汶川地震波

圖3　模型網(wǎng)格單元

圖4　t=8.06時刻變形(單位:mm)

圖5　t=8.06時刻拉應力(單位:MPa)

計算結(jié)果表明:

1)t=7.96時刻，在x軸負向地震波的作用下，隧道沿x軸負向變形，最大變形量為4.3 mm，隧道拉應力區(qū)域主要在左拱腰和右邊墻腳處，最大拉應力值分別為0.73 MPa和0.86 MPa。

2)t=8.06時刻，在x軸正向地震波的作用下，隧道沿x軸正向變形，最大變形量為4.8 mm(圖4);隧道拉應力區(qū)域主要在右拱腰和左邊墻腳處，最大拉應力值分別為1.00 MPa和1.18 MPa(圖5)。

3)地震波持續(xù)作用下，隧道沿x軸正、負向反復變形，其反復變形圖呈y軸對稱;而隧道拉應力區(qū)域主要在左拱腰、右拱腰、左邊墻腳和右邊墻腳處，結(jié)構(gòu)拉應力圖呈中心對稱。

4)根據(jù)研究資料［11-12］，在荷載長期作用下混凝土的抗壓和抗拉強度會衰減。由于該隧道為素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)且左、右拱腰處為結(jié)構(gòu)受力的不利部位，左、右拱腰處素混凝土結(jié)構(gòu)在地震動荷載的作用下易受拉而屈服，所以左、右拱腰位置出現(xiàn)微裂縫。

3.2裂縫襯砌結(jié)構(gòu)靜力變形特征

裂縫對襯砌截面剛度產(chǎn)生較大的影響，根據(jù)試驗結(jié)果［13］鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂后根據(jù)配筋率其剛度折減系數(shù)為0.2～0.8，從偏于安全角度考慮，將素混凝土襯砌剛度折減系數(shù)確定為0.1。采用三維模型模擬塌落拱高度為2.6 m的均布荷載作用下，分析縱向裂縫襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征。圍巖級別為Ⅳ級，結(jié)合隧規(guī)［14］計算參數(shù)見表3。

表3　主要計算參數(shù)

計算采用Ansys軟件，二襯采用Solid 65模擬，屈服準則為W illiam-Warnke準則，圍巖對襯砌的約束采用壓縮彈簧單元模擬。建模圖見圖6，分析計算結(jié)果見表4。

圖6　模型網(wǎng)格單元

表4　縱向裂縫襯砌變形值

由分析結(jié)果表4知:

1)拱頂最大變形達到319.1 mm，而裂縫下側(cè)的邊墻襯砌變形量僅為1.6 mm;可見由于襯砌裂縫的存在，引起裂縫上側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)沿豎直方向顯著變形。

2)左拱腰豎向變形為105.1 mm，而右拱腰豎向變形為212.1 mm，左、右側(cè)變形不均主要是由于裂縫處集中應力影響;可見即使在對稱均布松散荷載作用下，由于裂縫的存在仍會導致襯砌結(jié)構(gòu)左、右側(cè)產(chǎn)生不對稱的變形。

3.3病害原因綜合評估分析

緊急停車帶處隧道斷面面積較大且二襯結(jié)構(gòu)為素混凝土結(jié)構(gòu)，在荷載長期作用下混凝土的抗壓和抗拉強度會衰減;同時隧道左、右拱腰處為結(jié)構(gòu)受力的不利部位，左、右拱腰處素混凝土結(jié)構(gòu)在地震動荷載的作用下易受拉而屈服，所以左、右拱腰位置會出現(xiàn)微裂縫。

素混凝土襯砌出現(xiàn)裂縫后結(jié)構(gòu)剛度急劇減小，且襯砌背后的圍巖為軟弱破碎巖體且施工中曾出現(xiàn)塌方，地震的作用也會導致襯砌背后的圍巖進一步松弛而產(chǎn)生較大的松散壓力，因此在地震動荷載和松散靜荷載的綜合作用下，襯砌微裂縫進一步發(fā)展形成宏觀縱向裂縫。

4　加固方案設(shè)計

4.1加固方案設(shè)計原則

1)由于隧道為軟弱圍巖且施工中曾發(fā)生塌方，因此首先應加固地層，以增強圍巖自穩(wěn)能力。

2)襯砌與圍巖密貼不密實，在外荷載作用下，圍巖會進一步松弛，因此應保證襯砌與圍巖密貼。

3)襯砌結(jié)構(gòu)裂損嚴重但大部分結(jié)構(gòu)具有承載力且凈空滿足要求時，宜采用套襯措施。

4)當加固方案與結(jié)構(gòu)防水有矛盾時，保證結(jié)構(gòu)安全是第一要務，在結(jié)構(gòu)安全的前提下，再研究結(jié)構(gòu)防水補救措施。

4.2加固方案

設(shè)計加固方案采用注漿、自進式錨桿和鋼拱架套襯，具體加固方法描述如下:

①在二襯內(nèi)縱向布置I28@0.5 m鋼拱架。②對襯砌與圍巖密貼不密實處進行注漿加固。③采用自進式錨桿對軟弱圍巖及二襯進行錨固注漿加固，考慮2 m的錨固段長度，因此自進式錨桿長度設(shè)計為5 m，間距為1 m;縱向裂縫兩側(cè)范圍按梅花形布置，拱腳處設(shè)置鎖腳錨桿。④每榀鋼拱架與錨桿應焊接為一體;每榀鋼架設(shè)置縱向連接鋼筋。⑤考慮混凝土與型鋼剛度的差異及多發(fā)地震的影響，為防止混凝土發(fā)生掉塊，在型鋼表面不噴射封閉混凝土。⑥錨桿會破壞原有防水結(jié)構(gòu)，應在邊墻腳設(shè)置泄水孔進行引排水。

4.3加固方案驗算模型

4.3.1施工塌方荷載計算模型

計算荷載為2.6 m的施工塌方荷載。根據(jù)檢測結(jié)果拱頂及拱腰處圍巖松散范圍大，因此不考慮拱頂及拱腰處錨桿作用，即僅考慮裂縫下側(cè)、邊墻及拱腳處錨桿的作用且錨桿與鋼架焊接，計算模型焊接處采用鉸接約束，鋼拱架間距0.5 m。采用Ansys軟件進行計算，屈服準則為Mises準則，計算參數(shù)見表5。計算模型圖及計算結(jié)果分別見圖7，圖8。

表5　主要計算參數(shù)

圖7　計算模型

圖8　M ises應力云圖(單位:Pa)

由計算結(jié)果知，加固后鋼拱架最大應力位于拱腰處，最大應力為132 MPa，滿足強度要求。

4.3.2隧規(guī)荷載計算模型

對于荷載結(jié)構(gòu)模型，通常采用壓縮彈簧來模擬圍巖對襯砌的約束作用。本次驗算考慮加固后錨桿的作用，錨桿采用可承受拉壓作用的彈簧單元模擬，鋼拱架間距1.0 m，計算荷載按照隧規(guī)［14］取值，按Ⅳ級圍巖塌落拱計算，計算參數(shù)見表6。建模圖及計算結(jié)果分別見圖9、圖10。

表6　計算參數(shù)

圖9　計算模型

圖10　M ises應力云圖(單位:Pa)

由計算結(jié)果知，加固后鋼拱架最大應力位于拱腰位置，最大應力為116 MPa，滿足強度要求。

顯然，按照上述2種計算工況驗算，鋼拱架間距0.5 m時結(jié)構(gòu)承載力均滿足要求，加固方案合理可行。

4.4加固施工注意事項

1)工字鋼拱腳應架設(shè)在穩(wěn)定且具有較大承載力地層，工字鋼與襯砌壁面應楔緊，鋼楔塊及錨桿應與工字鋼連接牢固。

2)為保證型鋼加固后結(jié)構(gòu)美觀、防銹及防汽車尾氣腐蝕，應對工字鋼表面進行處理。

3)錨桿注漿壓力建議1.2 MPa左右，錨桿注漿完成應以排氣孔回流漿液為準。

5　結(jié)論

基于隧道現(xiàn)場病害調(diào)查、專項檢測和有限元計算，對地震動荷載和松散靜荷載作用下襯砌裂損的原因進行了研究，并采用2種計算模型對加固方案進行了驗算，得出以下結(jié)論。

1)通過對襯砌裂縫的形態(tài)描述、雷達檢測、鉆芯取樣及強度檢測等，分析了襯砌裂縫對運營隧道結(jié)構(gòu)的影響并進行了安全性評價。

2)對于運營隧道素混凝土的襯砌結(jié)構(gòu)，在地震動荷載的作用下左、右拱腰處素混凝土結(jié)構(gòu)易受拉而達到屈服強度，隧道拉應力區(qū)域主要在左、右拱腰及左、右邊墻腳處。

3)基于素混凝土襯砌剛度折減，分析了松散靜荷載作用下左、右拱腰襯砌裂縫存在時襯砌的變形特征，裂縫上側(cè)襯砌沿豎直方向產(chǎn)生顯著變形;由于裂縫處集中應力影響，襯砌左、右側(cè)變形為不對稱變形。

4)采用注漿、自進式錨桿和鋼拱架套襯對裂損襯砌進行了加固，采用2種計算模型對加固方案進行了驗算，表明加固方案滿足規(guī)范要求。

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(責任審編 孟慶伶)

Research on Cause of Lining Cracks under Dynamic and Static Loads and Its Reinforcement Technology

LENG Xiqiao，WU Jian，CHEN Liwei
(China Railway Southwest Research Institute Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 611731，China)

Lining crack is one of the principal diseases of the tunnel engineering during operation period，which affects the bearing capacity of the tunnel structure seriously．Based on the disease control for one tunnel lining crack，the safety of lining structure was evaluated by field investigation and special detection and the causes of lining crack were analyzed under the action of dynamic and static load．Calculation analysis shows that the deformation diagram of tunnel lining is Y-axis symmetry and the stress diagram is central symmetry under seism ic dynamic load，crack lining deformation with the stiffness degradationmdel is mainly the vertical deformation under the loose static load．Rein forcement measures for tunnel diseases were put forward and the bearing capacity after crack lining rein forcement by adop ting the loose static load and tunnel gauge collapse arch load was calculated，which could provide a reference for rein forcement measures of tunnel lining crack．

Tunnel engineering;Lining crack;Seismic dynam cload;Loose static load;Rein forcement

U457+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．13

1003-1995(2016)11-0049-05

2016-04-13;

2016-08-25

冷希喬(1982—)，男，工程師，碩士。