波纹钢板用于隧道衬砌加固技术要点探索

张诗剑

（福建省南平市公路局，福建 南平 353000）

近两年，随着普通国省干线公路隧道提质升级改造工程的推进，发现越来越多的隧道存在衬砌脱空和衬砌厚度不足等缺陷，车辆的运营安全存在很大隐患，而对隧道进行加固是防止隧道衬砌结构破坏的有效方法。针对目前隧道衬砌结构类型的病害，国内许多学者提出了不同类型的加固方案，如：通过增加厚度的方法补强衬砌、嵌入型钢作为环向钢拱架进行加固、粘贴钢板、粘贴复合纤维材料等，这些方法在加固改造施工工期、实施效果、工程造价等方面各有利弊。本文主要针对隧道衬砌脱空及厚度不足这一组合病害，以某隧道工程为背景，从施工工期、实施效果、经济性和交通组织等方面对各方案进行对比，为类似工程提供参考。

1 工程背景

文章涉及的隧道位于福建省南平市普通国道内，建设位置围岩地质较好，多为Ⅲ级及以上围岩。该隧道为单洞双向两车道，隧道全长1 318m，宽10m。在隧道提升改造检测中发现该隧道局部衬砌厚度不足、脱空缺陷严重，经过雷达加密专项检测显示，隧道拱顶最大脱空深度0.5m，纵向长度2.5m，环向长度2m，脱空位置衬砌最小厚度为6cm。缺陷实体检测情况如图1所示。

图1 隧道衬砌脱空实体检测图

2 隧道病害成因及加固方案

2.1 衬砌病害原因分析

根据检测单位提供的检测数据显示，该隧道边墙部位厚度基本满足设计要求，脱空缺陷位于拱顶处。由于该隧道建设于上世纪90年代，建设时期较早且设计标准较低，受当时落后的施工工艺和施工水平限制，未能及时对超挖部分进行回填和处理。

2.2 衬砌病害结构分析

根据检测结果显示，该隧道大脱空和厚度不足缺陷处于Ⅱ级围岩地段。本文选取衬砌实测厚度最小的6cm部位断面进行分析，按衬砌设计厚度和实测厚度分别计算。围岩参数及衬砌厚度见表1、表2。

表1 围岩参数表

表2 衬砌厚度表

本次计算采用结构荷载法隧道衬砌程序，把隧道衬砌转化为平面应变模型进行分析，二衬结构分散成若干梁单元模拟，单元与单元之间通过节点联结接成承载结构。二衬的荷载主要是围岩压力和结构自重，围岩对二衬的作用采用受压型弹簧模拟。计算结果和模型如图2、图3所示。

通过模型数据提取最不利位置轴力和弯矩并计算相应安全系数（见表3）。

图2 衬砌结构轴力图

图3 衬砌结构弯矩图

表3 衬砌结构内力计算结果对比表

计算结果表明，虽然病害位置段落围岩较好、等级较高，衬砌承受的围岩压力也较小，但由于局部衬砌厚度不足导致衬砌结构功能减弱，很大程度上降低了衬砌结构的整体安全储备，在车辆动荷载作用下极易引起衬砌剥落而影响隧道的运营安全，因此，需针对衬砌病害部位采取有效的加固措施。

2.3 加固方案比选

2.3.1 衬砌厚度不足常用处治措施

针对隧道衬砌厚度不足、大脱空等缺陷常采用的衬砌加固措施有：套拱加固、喷射混凝土加固、粘贴纤维复合材料加固、波纹钢板加固、粘贴钢带加固、嵌入钢拱架加固等。

2.3.2 加固方案比选

因本文涉及的隧道位于普通国道上，是境内的主要通道，过往车辆多，故采取的加固方案应便于实施、施工周期短且对交通影响最小。选取衬砌拆换加固、套拱加固、波纹钢带加固等三种方案进行对比（见表4），各方案简述如下：

（1）衬砌拆换加固方案。该方案主要针对缺陷位置衬砌进行整环拆换，考虑隧道整体安全，在拆除前先采用型钢结构支撑，对临近衬砌进行临时加固处理；拆除完成后按原设计衬砌结构进行恢复，并做好与相邻衬砌之间的连接。该方案能彻底根治隧道衬砌缺陷，拆换后衬砌的结构安全度最高。

（2）套拱加固方案。该方案主要针对缺陷位置进行套拱加固，采用模筑自密实混凝土，套拱厚度根据规范要求选取最小厚度为20cm。该方案能提高缺陷位置衬砌结构的刚度和承载能力，加固后能解决因缺陷带来的安全隐患，加固效果好。

表4 加固方案对比一览表

（3）波纹钢带加固方案。该方案主要针对缺陷位置衬砌采用波纹钢板加固，波纹钢板加固前应清理衬砌表面，待基座完成后逐片安装波纹钢板，并采用C40灌浆料填充波纹钢板与既有衬砌之间的间隙。该方案能有效提高衬砌结构的刚度和承载能力，加固后能解决因缺陷带来的安全隐患，加固效果好。

2.4 加固方案确定并实施

根据表4从加固效果、施工风险、施工难易、施工周期和造价等方面综合对比，虽然衬砌拆换加固效果最好，但是造价高、施工工期最长；套拱加固方案加固效果和工期造价均处于中间值，但加固后会侵占既有行车限界；通过对上述方案比较并结合该隧道的实际运营情况，本次加固方案采用波纹钢板套衬加固。加固采用的波纹钢板选取Q235镀锌钢材，波形尺寸为200mm×50mm×6mm(长×高×厚)。套衬结构由标准波纹钢板拼装而成，每环套衬由5个标准板片组成，各板片之间通过法兰和M16高强螺栓连接，拼装时粘贴橡胶密封条，保证各板片之间密封良好。波形钢板与既有衬砌间设置1cm厚橡胶垫块，垫块间距为40cm（纵向）×100cm（环向），安装完钢板后通过预留注浆孔注入C40灌浆料。方案如图4、图5所示。

图4 波纹钢带处治立面示意图

图5 波纹钢带大样图

3 加固效果

孙润芳在《埋置式波纹钢-混凝土结构中波纹钢的承载增强作用研究》中提出了波纹钢带-混凝土复合结构的计算方法。本文参照该计算方法计算加固段落，将既有衬砌自重和脱空填充物自重作为外加荷载加至波纹钢板-混凝土构造上进行计算。计算模型如图6、图7所示。

图6 二衬轴力图（单位：kN）

图7 二衬弯矩图（单位：kN·m）

根据计算数据，提取相应最不利位置轴力和弯矩并计算相应安全系数（见表5）。

表5 加固后衬砌计算一览表

根据表5显示，波纹钢板加固措施增大了衬砌截面尺寸，波纹钢板在提高衬砌刚度的同时增强结构的抗拉能力，对衬砌结构承载能力和安全储备提升显著。该项目实施完成耗时28d，且加固后经过近两年的运营未出现外观缺陷和新增病害，加固效果良好，如图8所示。

图8 波纹钢板加固效果图

4 结语

综上所述，隧道衬砌厚度不足和脱空病害治理难度大、造价高，若施工队伍专业化程度低、设备简易，则处治效果难以保证。南平某国道隧道提质升级加固工程提供了一种行之有效的隧道衬砌厚度不足、脱空加固处治方案，具有便捷、迅速、可操作性强的特点，可实现标准化预制拼装、不中断交通，且经济合理、效果可靠，有效提升了隧道衬砌结构承载能力和安全储备，确保了隧道行车安全，为同类工程提供了很好借鉴。