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(jī)理

在不拆除重新施做鋪底的情況下，采用在襯砌結(jié)構(gòu)墻腳處加設(shè)錨桿，用錨桿來約束隧道的周邊位移，同時(shí)，在隧道底注漿，以提高隧道底圍巖承載能力，從而彌補(bǔ)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(xué)計(jì)算，分析襯砌結(jié)構(gòu)仰拱及邊墻內(nèi)力，為錨桿加固設(shè)計(jì)及控制注漿效果提供定量指標(biāo)，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)根據(jù)規(guī)范選取，采用有仰拱與無仰拱兩種情況中最不利時(shí)的隧道墻腳處最大剪力和軸力進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，提出整治措施。

2 隧道仰拱病害檢測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場鉆芯數(shù)據(jù)，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(xiàn)場鉆芯取樣情況一覽表

3 計(jì)算模型

本次運(yùn)用有限元計(jì)算軟件，結(jié)合隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，確定不同工況下隧道結(jié)構(gòu)典型斷面處的內(nèi)力。并假設(shè)襯砌四周約束按照均布地基彈簧考慮，其中襯砌結(jié)構(gòu)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(jì)算模型分別見圖1、圖2。

圖1 有仰拱隧道計(jì)算模型

圖2 無仰拱隧道計(jì)算模型

4 數(shù)值模擬分析

4.1 整治前計(jì)算分析

按照荷載—結(jié)構(gòu)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)K707+500～K707+520里程段有仰拱與無仰拱兩種情況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(tǒng)計(jì)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(shí)對(duì)墻腳處剪力的影響約27.7%～57.7%。

4.2 擬采用的整治措施

當(dāng)仰拱不能正常工作時(shí)，可考慮在墻腳處加設(shè)注漿中空錨桿，墻腳處出現(xiàn)的剪力由注漿中空錨桿承擔(dān)，以保證結(jié)構(gòu)安全。在不同地質(zhì)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(yīng)用于本次需補(bǔ)強(qiáng)的隧道地段，對(duì)上述5處隧道承載力進(jìn)行計(jì)算分析。

整治擬采用Φ32×6(Q345)自進(jìn)式中空錨桿(5m/根)對(duì)相關(guān)隧道斷面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，單根注漿中空錨桿的承載力由巖石與水泥結(jié)石體之間的粘結(jié)承載力、鋼筋與水泥漿之間的粘結(jié)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(huán)時(shí)，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(jì)算傳熱系數(shù)和傳熱時(shí)，要分別進(jìn)行計(jì)算，但文中所分析循環(huán)流化床鍋爐無汽冷屏，而其二級(jí)過熱器位于爐膛內(nèi)部，所以只分析爐膛即可。

4.3 注漿中空錨桿受力計(jì)算

4.3.1巖石與水泥結(jié)石體之間的粘結(jié)承載力

巖石與水泥結(jié)石體之間的粘結(jié)承載力計(jì)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(shè)計(jì)值(kN)；K為安全系數(shù)，錨桿服務(wù)年限大于2年，危害大，會(huì)出現(xiàn)公共安全問題取2.2；D為錨固體直徑(mm)；qr為水泥結(jié)石體與巖石孔壁間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取0.8倍標(biāo)準(zhǔn)值。

4.3.2鋼筋與水泥漿之間的粘結(jié)承載力

鋼筋與水泥漿之間的粘結(jié)承載力計(jì)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(shè)計(jì)值(kN)；K為安全系數(shù)，錨桿服務(wù)年限大于2年，危害大，會(huì)出現(xiàn)公共安全問題取2.2；d為錨固體直徑(mm)；qs為水泥結(jié)石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取0.8倍標(biāo)準(zhǔn)值；n為鋼絞線或鋼筋根數(shù)；ε為采用2根或2根以上鋼絞線或鋼筋時(shí)，介面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)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(jì)算公式[6]為：

Nt=Afscd

(3)

式中：Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN)；A為錨固體直徑(mm)；fscd為錨桿體材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)于HRB335級(jí)鋼取268MPa。

按照式(1)～式(3)計(jì)算得到單根注漿中空錨桿的承載力(包括巖石與水泥結(jié)石體之間的粘結(jié)承載力、鋼筋與水泥漿之間的粘結(jié)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(duì)于需要補(bǔ)強(qiáng)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(xiàn)場施工等因素，確定本次中空錨桿的設(shè)計(jì)拉拔力為120kN。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果并結(jié)合墻腳最大剪力情況，計(jì)算各隧道需要補(bǔ)強(qiáng)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(jì)算表

表4 隧道補(bǔ)強(qiáng)錨桿需求表

4.4 整治措施計(jì)算分析

當(dāng)忽略仰拱的作用時(shí)，拱圈及邊墻所承擔(dān)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(xiàn)根據(jù)無仰拱情況下墻腳處的軸力計(jì)算墻腳處的圍巖所承擔(dān)的壓應(yīng)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(jì)算得忽略仰拱作用時(shí)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(jì)算

由表5可以看出，墻腳處圍巖壓力最大值為0.48MPa?？紤]到圍巖的風(fēng)化、節(jié)理及裂隙發(fā)育等因素，采用5m長Φ32mm中空注漿錨桿按照2m間距對(duì)墻腳下方圍巖進(jìn)行注漿加固，提高基底承載能力，并以加固后圍巖抗壓強(qiáng)度不低于30MPa為控制指標(biāo)。

5 結(jié)束語

工程實(shí)施后，地下水不發(fā)育地段采用常規(guī)工藝整治后效果良好；地下水發(fā)育地段，通過摻加一定量的水玻璃達(dá)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(dāng)運(yùn)營期隧道仰拱存在厚度不足或缺失時(shí)，可在墻腳處采取中空注漿錨桿加固與底板注漿加固相結(jié)合的定量設(shè)計(jì)方法，確保隧道營運(yùn)的安全。