云南海口磷石膏库排水隧道衬砌补强加固施工技术研究

钟 猛，刘日华

（ 浙江省隧道工程集团有限公司，浙江 杭州 310030）

随着我国隧道工程大规模建设和发展，隧道衬砌的病害也越来越受到工程建设者和隧道科研人员的关注。 其中衬砌的开裂是隧道结构主要病害之一。 在这方面，许多国内外的研究人员进行了大量的研究。 在国内方面，张民庆等[1]对隧道裂缝成因和案例进行了分析；刘颖等[2]对衬砌结构外空洞对衬砌结构进行了相关评价；吴启勇等[3]对衬砌表层粘贴碳纤维布进行了研究，并取得了相关的实践经验； 刘学增等[4]通过钢筋混凝土衬砌的加载试验，建立了单一裂缝情况下钢筋混凝土衬砌的计算模型，通过该模型对带裂缝衬砌是否需要加固进行评价；王建秀等[5]对隧道的裂缝进行了成因分析，并对衬砌结构的承载状况及安全性进行了诊断和评价，并提出处理措施；徐颖等[6]采用有限元软件计算结果与实际监测结果相对比的方式，对特长隧道拱顶纵向裂缝形成机理进行了研究；岳勇[7]对引水隧洞的施工缺陷进行了分析，并提出处理方法；项和平[8]对渡槽槽身再利用评估与加固进行了研究。 在国外，ORIOL AMAU等[9]通过钢筋混凝土衬砌的加载试验，研究了衬砌的裂缝分布规律和裂缝扩展过程；CHIAHAN-LEE等[10]研究了衬砌裂缝分布和发展随时间变化的规律。

通过对云南海口磷石膏库堆场排洪隧道衬砌裂缝的现场查看，对现场裂缝的分布特征和衬砌开裂的主要原因及关键因素进行了深入研究，并开展了隧道裂缝的整治工作。 本文主要对“ 灌注裂缝胶+锚固粘贴钢板补强” 补强加固措施利用Midas Civil三维有限元技术软件进行了模拟计算分析，计算出隧道衬砌整治前后衬砌的安全系数。 本文为隧道衬砌裂缝病害的整治与加固提供了新的方法和思路。

1 工程概况

云南海口磷石膏库堆场排洪构筑物设有主隧道一条，排洪井5 座，支洞4 条。 主隧道通过库区右岸山坡把洪水引至初期坝下游，隧道总出水口设消力池一座，并引水至回水库澄清池。 该隧道排洪构筑物具 有 以 下 特 点：（1 ） 主洞 长1 480 m， 支 洞 长400 m，支洞与5 个竖井相连接， 竖井总长度为118 m，洞径2.8 m，属于细长构筑物，堆场上方填土对细长构筑物的变形要求极高；（2） 磷石膏库为含氟酸性腐蚀介质，排水构筑物在含氟酸性腐蚀介质环境中运行，容易对钢筋混凝土衬砌产生腐蚀，从而降低衬砌混凝土的强度；（3） 排洪构筑物位于堆场右岸山体中，临近岸坡，隧道具有明显的偏压特征，在上方高填方堆载的条件下，将加剧隧道的偏压现象，产生不均匀变形，容易导致隧道开裂；（4）排洪构筑物由主洞、支洞和竖井构成，在大规模堆载情况下，其连接部位将会由于不均匀的荷载而产生变形开裂。 隧道部分段落病害平面布置示意图（见图1）。

图1 隧道部分段落病害平面布置示意图

目前该磷石膏库堆场排洪隧道现有衬砌存在如下病害：

（1）主隧道K0 +820—K0 +830 m、K0 +843—K0 +848 m及K0 +890—K0 +894 m里程段的拱顶拉裂为局部施工质量问题或拱顶围岩松动所致且衬砌裂缝基本处于闭合状态，无错动现象，衬砌后未出现脱空现象。 考虑隧道的长期稳定性问题，需要进行加固处理。

（2）主隧道进洞口至K1 +300 m里程段落局部衬砌存在的裂缝会降低隧道结构的承载能力，降低衬砌结构的安全可靠性。 根据裂缝走向与隧道轴线的相互关系，环向裂缝一般对于衬砌结构正常承载影响较小，而拱顶的纵向裂缝会影响结构的整体稳定性，如果持续发展可能引起隧道拱顶的剥落坍塌，需要进行加固处理。

（3）隧道的沉降缝渗水会对衬砌造成冲淘，影响围岩和衬砌的长期稳定，需要对沉降缝进行加固处理。

2 排水隧道补强加固处理方案

排水隧道已运行多年，本工程在借鉴类似隧道排洪构筑物加固处理施工成功经验的基础上，结合本工程排水隧道的现状，提出本工程排水隧道加固处理方案：“灌注裂缝胶+锚固粘贴钢板补强” 加固处理方法。 首先对衬砌裂缝进行灌胶处治；其次打磨找平衬砌表层混凝土、去除表面浮浆；放样粘贴钢板位 置， 钢 板 宽100 mm， 厚8 mm， 每 片 钢 板 长1 000 +2 086 +1 000 =4 086 mm，钢板沿隧道纵向间隔100 mm布置；钢板采用M16 高强化学锚栓进行锚固，钢板与混凝土的结合面布置注胶针头灌注粘钢胶， 为确保粘接牢固钢板需进行打磨拉毛处理；待钢板粘贴牢固后，采用结构胶找平至隧道净空断面；表面找平防腐处理。 排水隧道加固处理示意图（见图2）。

图2 排水隧道补强加固处理示意图

3 排水隧道数值分析

3.1 排水隧道基本情况

云南海口磷石膏库排水隧道衬砌轮廓总高2.85 m，宽2.4 m，衬砌采用30 cm厚C30 混凝土，混凝土侧墙布设直径为12 mm、间距20 cm的纵向和环向钢筋，混凝土拱顶布置φ14 mm、间距20 cm的纵向和环向钢筋。 排水隧道断面图（见图3）。

图3 排水隧道断面图

3.2 排水隧道建模

3.2.1 加固前后建立模型

参照相关设计文件，本工程采用Midas Civil三维有限元计算软件对排水隧道进行三维建模分析。衬砌采用梁单元模拟，各节点采用仅受压的弹性连接模拟地基土弹簧，为了简化计算，隧道纵向长度取1.0 m进行建模分析。 排水隧道有限元模型（ 见图4）。

图4 排水隧道有限元模型

本工程采用 “ 灌注裂缝胶+锚固粘贴钢板” 的方式进行加固补强处理，补强设计设定在现有结构变形停止、裂缝不再发展、基础不再沉陷的前提下，通过加固补强， 恢复钢筋混凝土衬砌的强度和刚度。

本工程加固钢板采用Q345B型，钢板宽10 cm，间距10 cm，厚8 mm，加固钢板由拱顶沿二衬断面进行布设，加固范围钢板长4.086 m，钢板与原混凝土之间采用刚性连接模拟（见图5）。

图5 粘贴钢板加固有限元模拟模型

3.2.2 计算荷载与工况

（1）结构自重 衬砌混凝土溶重按26 kN/m3取值，结构自重由程序自动计算。

（2 ） 温 度 作 用 考 虑 最 不 利 状 况， 温 度 按±30 ℃考虑。

（3）围岩压力计算 根据工程设计文件可知，本工程排水隧道所处区域的最不利围岩级别为V级，相应的参数（见表1）。

表1 土层力学参数表

按照工程经验，围岩压力的分担，二衬分担比例取0.6，初衬分担比例取0.4，衬砌围岩压力示意图（见图6）。

图6 衬砌围岩压力示意图

根据公路隧道设计规范，隧道围岩压力计算公式及隧道衬砌荷载模式如下：

式中：Ht— 隧道高度；Bt— 隧道宽度。

隧道支护结构的垂直均布压力：

式中：hq— 等效荷载高度值；γ— 围岩溶重，k N/m3；s— 围岩级别，本工程取s=5；ω— 宽度影响系数；B— 隧道宽度，m；i— 以B =5 m为基准，B每增减1 m时的围岩压力增减率。为安全起见，本工程取γ=2.5 t/m3，当B＜5 m时，取i=0.2，则ω=1 +i（5-B） =1.52，q=γhq=γ×0.45 ×2s-1ω =0.45 ×2s-1γω =0.45 ×16 ×2.5 ×1.52 =27.36 t/m2。

根据施工经验， 本工程侧向系数取0.40， 则水平均布围岩压力：

（4）荷载工况

为了安全起见，计算结果取以下两种组合的最大值。

组合1 围岩压力+衬砌自重+升温30 ℃；

组合2 围岩压力+衬砌自重+降温30 ℃。

3.2.3 计算结果分析

本工程在考虑结构自重，温度荷载及围岩压力的前提下，采用Midas Civil梁单元对二次衬砌进行模拟，对病害处加固处理前后进行分析。

本次计算分别对排水隧道原设计状态（ 状态1）、裂缝深度5 cm状态（ 状态2）、裂缝深度15 cm状态（状态3）和粘贴钢板加固状态（状态4） 四种工况进行分析计算，通过计算对各种状态下结构的承载力进行验算。

（1）排水隧道四种计算状态

①原设计状态

原设计排水隧道的二衬混凝土厚为30 cm，采用C30 混凝土；二衬普通钢筋采用HRB335 钢筋，混凝土侧墙布设φ12 mm、间距20 cm的纵向和环向钢筋；混凝土拱顶布置φ14 mm、间距20 cm的纵向和环向钢筋。

②裂缝深度5 cm时状态

此状态下，排水隧道拱顶纵向裂缝深度按5 cm考虑，对结构的受力进行计算。

③裂缝深度15 cm时状态

此状态下，排水隧道拱顶纵向裂缝深度按二衬混凝土的一半厚度，即15 cm考虑，对结构的受力进行计算。

④粘贴钢板加固后状态

排水隧道加固采用板宽10 cm，间距10 cm，厚8.0 mm的Q345B型钢板，加固钢板沿二衬断面进行布设，加固范围钢板长4.086 m。

（2）内力计算结果

通过对上述四种状态下排水隧道衬砌体的有限元分析，状态1—状态4 在最不利荷载作用下，衬砌体结构的弯矩、 轴力和剪力的各项内力变化较小，这充分说明在各状态下排水隧道混凝土衬砌体的内力重分布扰动较小。 针对状态4，排水隧道衬砌体破损处粘贴钢板加固后，对钢板应力进行有限元分析。 由图7 可知， 排水隧道采用粘贴钢板加固，加固后钢板最大应力为165.6 MPa，小于钢材容许应力270 MPa，满足要求。

（3）承载力验算

为了验算排水隧道的承载力，本工程对排水隧道衬砌体进行单元划分，并分别进行编号（见图8）。

图7 状态四（粘贴钢板加固）状态下钢板应力（MPa）

图8 衬砌体单元编号示意图

本工程主要考虑衬砌体结构对称性以及受力最不利的1 ～8 单元，分别将四种状态下衬砌体的抗弯承载力计算结果汇总（见表2）。

表2 四种状态下衬砌抗弯承载力对比

由表2 可知，抗弯承载力计算表明：状态1 按原设计配筋计算的衬砌体安全系数为1.53，满足要求；状态2 按5 cm 深裂缝计算， 最小安全系数为1.05，满足要求；状态3 按15 cm深裂缝计算，最小安全系数为0.33，不满足要求；状态4 按粘贴钢板加固后，衬砌体最小安全系数为1.65，满足要求。四种状态下衬砌体各单元的抗剪承载力计算结果汇总（见表3）。

表3 4 种状态下衬砌抗剪承载力对比

由表3 抗剪承载力计算可知：状态1 按原设计配筋计算的衬砌体安全系数为1.32，满足要求；状态2 按5 cm深裂缝计算，最小安全系数为1.07，满足要求；状态3 按15 cm深裂缝计算，最小安全系数为0.57，不满足要求；状态4 按粘贴钢板加固后，衬砌体最小安全系数为1.31，满足要求。

4 结 语

（1）采用 “灌注裂缝胶+锚固粘贴钢板” 方法对排水隧道的衬砌体裂缝进行加固补强，通过数值分析，经计算可得裂缝深度为5 cm的衬砌体抗弯和抗剪承载力最小安全系数分别从1.05、1.07 提高到1.65、1.31；裂缝深度为15 cm的衬砌体抗弯和抗剪承载力最小安全系数分别从0.33、0.57 提高到1.65、1.31，达到甚至优于相关隧道设计规范的要求。 这种补强加固方法有效地提高了衬砌体的安全系数，达到了补强加固的预期目的。

（2）排水隧道采用粘贴钢板加固后，经计算可得钢板的最大应力为165.6 MPa，远小于钢板的容许应力270 MPa，补强加固效果显著。

（3） 排水隧道二次衬砌体缺陷通过补强加固后，缺陷范围内的衬砌体刚度得到显著的提高，并有效地提高了衬砌体的安全系数，达到了整治的预期效果。 该补强加固施工技术不仅施工工艺较为简单，而且对隧道原有衬砌体结构的扰动性较小，具有较好的实际价值。