隧道二次衬砌欠厚整治技术探究

李 科

(中国建筑第七工程局有限公司西南公司，重庆 400000)

近年来我国隧道建设取得长足发展，数量和里程不断增加，截至2015年底，全国运营铁路隧道13 411座、总里程13 038 km，运营公路隧道14 006座、总里程12 684 km[1]。然而，在隧道建设蓬勃发展的同时，难免产生病害现象[2-5]。二次衬砌厚度不足病害直接威胁隧道结构的可靠性，削弱衬砌结构整体强度及稳定性[6-8]。基于此，国内隧道领域专家纷纷采用数值模拟、理论分析及模型试验等方法进行相关研究，如王梦恕等[9]采用数值分析对纤维布补强地铁隧道结构进行了模拟；张顶立等[10]对不同围岩级别条件下隧道衬砌背后的接触状态进行了分析；王士民等[11]采用室内模型试验对隧道衬砌结构渐进性破坏机理进行了研究。本文在国内相关学者研究的基础上，以某隧道为研究对象，对隧道二次衬砌厚度不足病害整治进行较为全面的论述，通过衬砌质量检测，结合隧道相关设计及施工概况，基于相关规范规程，对左线和右线二次衬砌厚度不足病害进行对比整治分析，采用结构计算软件对整治前后衬砌结构的受力进行模拟，得到其内力变化以验证整治措施效果，进而为隧道病害整治提供借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道规模

某隧道主洞净宽10.25 m、净高5 m，设计通车速度80 km/h，设计荷载为公路I级。隧道规模如表1所示。

注：双洞分离式隧道。

1.2 自然地质条件

隧址区位于甘孜州康定县，属四川盆地西缘山地，为盆地到青藏高原的过渡地带。隧址区山脉纵横，地表崎岖，由于地壳抬升作用剧烈，遭到强劲的外力剥蚀，在冰川、流水、烈日等因素的作用下，山地切割强烈，形成复杂多样的地貌类型。

隧址区大地构造上处于扬子地台西缘次一级构造单元龙门山、大巴山台缘断褶带之西南端，西邻康滇地轴，东接四川台拗，西北侧相邻松潘—甘孜地槽褶皱系。构造部位上处于NE向龙门山断裂带和NW向鲜水河断裂带及SN向安宁河断裂带构成的“Y”字形构造交汇部位东侧，具体构造部位处于龙门山断裂带西南段内。主要地层为新生界第四系全新统崩坡积层块石、第四系全新统泥石流堆积层块石及元古界晋宁—澄江第四期斜长花岗岩。

隧址区地表水主要来自多条沟渠，沟内常年有水且水量较为充沛；地下水补给源主要为大气降水和地表水直接或间接渗入补给。水文地质条件较简单，除沟床漂石、块卵砾石及水面下强风化基岩的含水性和透水性好、地下水丰富外，其余基岩和第四系土层含水性均较差，地下水不丰富。由于地形破碎、切割深度较大，地下水径流途径短、水交替循环快。

1.3 二次衬砌厚度不足病害整治范围

根据隧道运营期间现场检测结果，确定二次衬砌厚度不足病害整治范围为左、右线全段。

2 二次衬砌厚度不足病害统计

分别于左右边墙、左右拱腰及拱顶处在隧道左线及右线布置5条侧线，采用地质雷达对二次衬砌厚度进行检测。其中，左线每条测线检测点为184个，右线每条测线检测点为146个。典型现场检测图及地质雷达图灰度图如图1所示。

图1 现场检测及地质雷达灰度图Fig.1 On-site detection and geological radar grayscale map

对现场检测结果进行数据分析，得到隧道横断面不同位置处二次衬砌厚度缺陷率，如图2所示。

图2 横断面不同位置处二次衬砌厚度缺陷率Fig.2 Defect rates of lining thickness atdifferent locations of cross section■—左线；●—右线

由图2可知：在横断面不同位置上，拱顶处衬砌厚度缺陷率最大，由拱顶至拱脚，衬砌厚度缺陷率依次减小。拱脚及边墙处衬砌厚度缺陷率远低于拱顶及拱腰处，本研究只分析拱顶及拱腰处二次衬砌厚度在纵向里程上的变化，分别如图3、图4所示。

图3 左线横断面不同位置处衬砌厚度差值在纵向里程上的变化Fig.3 Variations of lining thickness at different locations of cross section of the left line on the longitudinal mileage

图4 右线横断面不同位置处衬砌厚度差值在纵向里程上的变化Fig.4 Variations of lining thickness at different locations of cross section of the right line on the longitudinal mileage

由图3及图4可知：拱顶相对拱腰、边墙处二次衬砌厚度不足负差值占比例更大，衬砌的结构特性及模筑混凝土施工工艺使得拱顶处二次衬砌厚度不足病害最严重；横断面不同位置处二次衬砌厚度不足差值在纵向里程上的变化亦存在差别。

3 二次衬砌厚度不足病害整治

3.1 病害最严重断面受力状态

二次衬砌厚度不足会降低衬砌结构的承载能力，降低其强度和整体稳定性。隧道为高速公路隧道，若将厚度不足病害严重断面处的二次衬砌结构全部打掉、拆除重建，不仅对隧道内交通的正常运行造成不利影响，而且会产生很大的经济成本，若拆除不合理亦会对周边衬砌结构造成破坏。

基于相关规范规程，采取如下措施对二次衬砌厚度病害进行整治：衬砌设计厚度与检测厚度之差不小于10 cm段，采用套衬加固整治；二者厚度之差在5～10 cm段，采用钢带加固整治。分别选取上述2种整治措施下二次衬砌厚度不足差值相对设计厚度最大的断面进行分析，仰拱和拱部厚度均为0.4 m，套衬加固及钢带加固整治断面拱顶二次衬砌厚度分别为0.1、0.32 m。

隧道宽度为10.25 m，所取断面处围岩级别为IV级，覆土重度为γ=20 kN/m3，依据《JTG D70—2004 公路隧道设计规范》，求得IV级围岩深埋隧道垂直均布压力为q=109.8 kN/m3，水平均布压力按最大取e=33.0 kN/m3。采用ANSYS对整治前上述断面衬砌结构的受力进行模拟，隧道横断面共104个节点，编号1～104为仰拱中心经右拱腰至拱顶中心、再经左拱腰至仰拱中心。套衬加固及钢带加固整治前衬砌结构及其内力图分别如图5及图6所示。

3.2 确定病害整治措施

3.2.1 套衬加固

整治措施流程如图7所示。

同样采用ANSYS对整治后上述断面衬砌结构的受力进行模拟，得到整治前后内力变化。为便于计算，结构分析时采用如下假设：①认为围岩为理想弹塑性材料；②认为钢拱架与喷射混凝土、补强结构与原二次衬砌结构均黏接性良好，均作为一个整体共同承载、共同变形。补强结构的弹性模量计算：

式中，E为补强结构的弹性模量；E0为模筑混凝土弹性模量；Sc为模筑混凝土横截面积；Eg为钢架弹性模量；Sg为钢架横截面积。

图5 套衬加固整治前衬砌结构内力Fig.5 Diagram of lining and its internal force before liner reinforcement

图6 钢带加固整治前衬砌结构内力Fig.6 Diagram of lining and its internal force before steel strip reinforcement

图7 整治流程Fig.7 Flow chart of treatments

由上式及上述相关数据，按线性内插原则，求得补强后衬砌弹性模量为37.7 GPa。对补强后衬砌结构的受力进行数值模拟，衬砌结构及其内力如图8所示。

对套衬加固整治前后衬砌结构的内力及安全系数进行对比，如图9所示。

3.2.2 钢带加固

钢带加固施工工序如图10所示。

结构计算分析时认为钢带与原二次衬砌结构作为一个整体共同承载、共同变形；认为原二次衬砌混凝土外表面处弹性模量为28 GPa，钢带内表面处弹性模量为206 GPa。将单位长度上原二次衬砌混凝土和钢带视作单筋矩形截面梁，在围岩压力作用下受弯，将混凝土受压区与受拉区交界处截面的弹性模量视为钢带与原二次衬砌整体支护结构的弹性模量。

根据线性内插原则，整体支护结构中心处的弹性模量为88.66 GPa。经计算分析、数值模拟，钢带加固后衬砌结构的内力如图11所示。

对整治前后衬砌结构的内力进行对比，如图12所示。

图8 套衬加固整治后衬砌结构及其内力Fig.8 Diagram of linging and its internal force after liner reinforcement

图9 套衬加固整治前后衬砌结构内力对比图Fig.9 Collation map of internal force of linging before and after liner reinforcement■—套衬加固整治前；●—套衬加固整治后

图10 钢带加固施工工序Fig.10 Construction procedure of steel belt reinforcement

4 结 论

(1)所有内力均在原基础上有一定程度的增大，且内力曲线变化趋势一致；但内力在隧道横断面不同位置变化幅度存在差异。

(2)弯矩在拱脚、拱腰及拱顶处增大明显，在边墙处增大较小，在仰拱及墙脚处无变化；轴力在仰拱、墙脚、边墙及拱顶处增大明显，在拱腰处基本无变化；剪力在边墙、拱脚及拱腰处增大明显，在仰拱、墙脚及拱顶处基本无变化。

(3)拱顶受压区范围扩大，这将十分利于衬砌结构的受力。

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图11 钢带加固后衬砌结构内力Fig.11 Diagram internal force of linging after steel belt reinforcement

图12 钢带加固前后衬砌结构内力对比Fig.12 Collation map of internal force of linging before and after steel belt reinforcement■—套衬加固整治前；●—套衬加固整治后

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