公路隧道钢筋混凝土套拱加固结构受力监控量测与分析

索然绪, 苏臣宏, 邓 彬

(西安公路研究院, 陕西西安 710065)

[定稿日期]2017-10-16

我国早期修建的公路隧道，由于地形、地质、气候条件和早期设计理念、施工水平以及运营过程中诸多因素的影响，公路隧道在运营过程中经常出现各种各样的病害，如衬砌裂损、隧道渗漏水、基底下沉和底鼓等。对部分铁路和公路隧道病害的调查表明，70 %的隧道出现了衬砌裂损的现象,占整个隧道病害的40 %左右[1-2]。当隧道二次衬砌破损范围或裂缝较大，衬砌承载力不足，安全系数偏低或不满足规范要求时，需要提高结构强度，同时要解决渗漏水病害时，套拱是最为行之有效的方法，它不但可以提高衬砌结构的承载力，还能一次性彻底解决渗漏水等病害问题。套拱加固虽然也存在局部净空侵限的缺点，但是套拱方案经济、施工时间较短、不用中断交通，且对围岩无扰动。

目前国内外公路隧道钢筋混凝土套拱加固实施项目较少，针对钢筋混凝土套拱加固研究多采用室内模型试验[3-8]和理论分析[13-15]，缺乏实际工程结构受力监控量测。本文结合安康市石泉县S316上的长安坝隧道钢筋混凝土套拱加固工程监控量测情况，对钢筋混凝土套拱的受力特性进行分析。

1 工程概况

长安坝隧道位于安康市石泉县境内G316上，隧道全长344 m，净宽10.5 m，净高5.0 m，2001年建成通车。隧道为双向两车道，隧道净宽10.5 m，净高5.0 m。目前该隧道主要病害为衬砌渗漏水及衬砌裂缝较严重，尤其是纵向裂缝发育，供配电系统老化，灯具损坏，消防设施缺失。

根据竣工图地勘资料，该隧道纵断面沿线围岩分布有Ⅱ、Ⅲ类两种。隧道穿越地层为强风化泥砂岩，碎块结构，遇水呈泥状，岩石中节理裂隙发育，节理壁面平直闭合，有少量地下水，开挖后自稳能力极差。最大埋深60 m，隧道进出口均存在大段落浅埋，且出口偏压较严重。

长安坝隧道二次衬砌厚度较薄，且为素混凝土衬砌，计算安全系数局部不满足设计要求；洞顶存在空洞、脱空及不密实23处，总长度48.2 m，脱空最大深度18 cm，最长2 m；纵向、斜向裂缝分布较多，且纵向缝连续贯穿多板衬砌，局部渗漏水严重，纵斜向裂缝与施工缝组合非常危险，故对隧道进出口浅埋偏压范围采取全断面花管注浆加固围岩，然后全隧道施作钢筋混凝土套拱措施，套拱采用25 cm厚的C25钢筋混凝土(图1、图2)。

图1 长安坝隧道钢筋混凝土套拱施工

图2 长安坝隧道钢筋混凝土套拱

2 监测方案

目前国内尚无钢筋混凝土套拱加固监测方面的规范，因此本项目参考JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》，并依据本项目的实际情况，制定了监测方案。监测项目包括混凝土应力、钢筋应力和套拱与二次结构直接的接触压力。监测元件均采用钢弦式传感器，此类元件具有较高的精度和可靠度，且受现场各种干扰小，可长期有效地工作[9-11]。套拱监测元件布置如图3所示，图中T1～T11为压力盒，N1～N9为混凝土应力计，GW1～GW9为钢筋应力计。

图3 套拱监测元件布置

3 监测结果及分析

3.1 套拱与原二衬之间法向接触压力

从图4可以看出，钢筋混凝土套与原二衬之间的法向接触应力随时间增长由快到缓，最后趋于稳定的整体趋势。

图4 套拱与原二衬之间法向接触压力时态曲线

(1)钢筋混凝土套拱两侧基底压力基本保持不变，且数值较小，这说明钢筋混凝土套拱自重并未全部由两侧基底部位承担，两侧基底部位只是承担了相对较小的竖向荷载。

(2)钢筋混凝土套拱拱顶部位套拱与原二衬之间法向接触压力随时间逐渐增大，在6个月内增长幅度较大，6个月后增长幅度变缓，12个月后逐渐趋于稳定状态。

(3)钢筋混凝土套拱隧道墙脚部位、起拱线处和拱肩部位套拱与二衬之间法向接触压力在7个月内逐渐增大，且增长幅度较大，7个月到12个月法向接触压力逐渐减小，12个月后逐渐趋于稳定状态。

(4)钢筋混凝土套拱与原二衬之间法向接触压力隧道时间变化较为缓慢，各个部位的法向接触压力在6～7月后基本开始趋于稳定状态。

(5)钢筋混凝土套拱与原二衬之间法向接触压力值均小，最大值仅为0.15 MPa,出现位置在隧道拱顶环向偏右2.8位置处，这说明套拱与原二衬之间法向接触压力较小。

(6)钢筋混凝土套拱与原二衬之间法向接触压力相差不大，各个最大值之间最大相差0.15 MPa。

(7)钢筋混凝土套拱对原二衬径向临空面产生了一定反向压力，改变了原二衬结构受力状态。但由于围岩和原二衬变形非常小，套拱对原二衬产生的反向压力也较小，而原二衬承受荷载较大(原二衬结构纵斜向较多)，因此将二衬与套拱整体受力考虑的计算模型与实际结构受力状态存在较大差异，需要进一步修正或重建。

3.2 套拱混凝土应力

从图5可以看出，钢筋混凝土套拱结构混凝土应力变化趋势较为简单，随时间变化由快到慢，逐渐趋于稳定状态。

图5 套拱混凝土应力时态曲线

(1)套拱混凝土应力较小，均以压应力为主，最大值仅为5.66 MPa,位于套拱拱顶环向偏右5.6 m处，且远小于C25混凝土轴心抗压强度标准值(28.0 MPa)。

(2)套拱混凝土各个部位应力变化趋势较为一致，在6个月内混凝土应力逐渐增大，且增长幅度较大，6～7个月后增长幅度变缓，在12个月后逐渐趋于稳定状态。

(3)钢筋混凝土套拱结构各个部位混凝土应力较为均匀，各个部位最大值相差3.05 MPa。

(4)钢筋混凝土套拱结构混凝土应力均较小，因此可以认为套拱混凝土承受的荷载较小。

3.3 套拱钢筋应力

钢筋应力如图6所示，“-”表示钢筋处于受拉状态。从图6可以看出，钢筋混凝土套拱内钢筋应力以拉应力为主，应力变化趋势较为简单，随时间变化由快到慢，最后逐渐趋于稳定状态。

图6 套拱钢筋应力时态曲线

(1)套拱内钢筋应力均较小，且均以拉应力为主，钢筋应力最大部位为拱顶处，最大值仅为41.1 MPa,远小于HRB400钢筋屈服强度标准值(400 MPa)。

(2)套拱内钢筋各个部位钢筋应力变化趋势较为一致，在6个月内增长幅度较大，6～7个月后增长幅度变缓，在12个月后逐渐趋于稳定状态。

(3)钢筋混凝土套拱内各个部位钢筋应力值均为均匀，各个部位钢筋应力值最大值相差仅为20.70 MPa。

(4)钢筋混凝土套拱结构内钢筋应力较小，因此可以认为作为钢筋混凝土套拱主要受力构件的钢筋承受的荷载较小，从而认为套拱结构承受的荷载较小。

4 结论

(1)钢筋混凝土套拱与原二衬之间法向接触压力、套拱混凝土应力和钢筋应力均较小，且各个部位压力值和应力值均相差不大，因此可以认为钢筋混凝土套拱承受的荷载较小。

(2)钢筋混凝土套拱承受的荷载变化时间较长，主要集中在混凝土浇筑后的6个月内，6～7个月后荷载增长幅度开始变缓，并在12个月后趋于稳定状态，因此可以认为钢筋混凝土套拱在混凝土浇筑完成6～7个月后套拱结构受力状态趋于稳定状态。

(3)钢筋混凝土套拱施做完成后，改变了原二衬结构的受力状态，但套拱结构对原二衬结构产生的反向作用力较小，同时套拱结构承受的荷载也较小。

(4)由于套拱结构承受的荷载较小，且公路隧道施做套拱后大部分会侵占原隧道建筑限界，因此钢筋混凝土套拱应结合施工质量保证措施设置套拱厚度，不宜过厚。

(5)目前将计算采用较多的套拱结构受力计算模型，即钢筋混凝土套拱单独作为受力构件承受较大荷载模型和原二衬与套拱共同作为受力构件承担较大荷载模型，这两种模型均与钢筋混凝土结构实际受力状态存在较大偏差，因此需要根据实际监测数据对钢筋混凝土套拱结构受力模型进行修正或重建。

[1] 姚正中，杨春平. 高速公路现役运营隧道渗漏水病害整治措施[J]. 交通科技，2014(2):112-115.

[2] 邹育麟，何川，周艺，等. 重庆高速公路现役运营隧道渗漏水病害统计及成因分析[J]. 公路交通科技，2013(1):86-93.

[3] 何川, 唐志成, 汪波, 等. 内表面补强对缺陷病害隧道结构承载力影响的模型试验研究[J]. 岩土力学, 2009, 30 (2): 406-412.

[4] 何川, 李祖伟, 佘健, 等. 组合补强对缺陷病害隧道结构承载力影响的室内模型试验研究[J]. 公路, 2007(3): 195-202.

[5] 何川，佘健，兰宇.高速公路隧道维护加固对策模型试验研究[C]/ /全国公路隧道学术会议论文集，2005:109-116.

[6] 刘学增,桑运龙,包浩杉.叠合式套拱加固带裂缝隧道衬砌受力机理分析[J].土木工程学报，2013,10(10)：127-134.

[7] 薛晓辉，宿钟鸣，孙志杰 .偏压隧道洞口段复合套拱力学性能研究[J]. 华北水利水电学院学报, 2013,10 (5): 51-54.

[8] 俞文生, 桑运龙.分离式套拱加固带裂缝衬砌的变形规律试验研究[J]. 现代隧道技术，2014,8(4)：141-149.

[9] 陈建勋, 马建秦.隧道工程试验检测技术[M].北京:人民交通出版社, 2005.

[10] 陈建勋, 杨忠.秦岭终南山特长公路隧道东线施工监控量测[J].公路, 2006(7):205-208.

[11] 陈建勋, 杨忠, 袁雪戡.秦岭终南山特长公路隧道大埋深段施工监测及分析[J].建筑科学与工程学报,2006, 23(3):71-75.

[12] JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S].

[13] HidetoMashimo, Atsushi Kusaka, NobuharuIsago, Tsutomu Kitani and ShinobuKaise. Experimental Study on Collapse Mechanism of Tunnel Lining and Effect of Reinforcing Material on Load-bearing Capacity of Tunnel Lining [J]. Proceedings of Japan Society of Civil Engineers, 2008, 64 (3): 311-326.

[14] W. H. N. C. Van EKPel, J. W. Sip, F. P. Haring. Design of Repair Measures of a Damaged Shield Driven Tunnel [J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2006(21): 338-339.

[15] Japan Society of Civil Engineers. The Present State of Construction and Maintenance of Mountain Tunnel Lining [M].Toyko:Maruzen Publishing Co., Ltd, 2002.