钢带支护系统在隧道衬砌加固工程中的应用效果分析

2021-04-23孔飚

北方交通 2021年4期

孔飚

(天津市地下铁道集团天津市 300000)

0 引言

隧道衬砌背后存在空洞是隧道工程中经常遇到的问题之一，空洞的存在会影响隧道的整体稳定性。钢带支护系统作为一种新兴的隧道支护方式，在加固隧道方面具有一定的优势。近年来，国内学者对此进行了一系列研究，主要有：房士波[1]、吕敏等[2]结合浙赣铁路周里冲隧道衬砌开裂加固实例，介绍了针对电气化大断面双线隧道村砌开裂加固，通过采用注浆锚杆和W钢带以及喷射钢纤维混凝土等新材料和新技术，取得了良好的整治效果；王定举[3]、徐林生等[4]以朔黄铁路寺铺尖隧道为例，结合现场勘查以及无损检测情况，对隧道衬砌开裂原因进行了分析，提出采用“W钢带+钢丝网+平钢带+锚杆”的联合支护方案进行病害整治，通过工程类比并结合现场条件阐述了该加固方案的设计参数、施工工艺以及施工注意事项，加固方案实施后取得良好整治效果。

以某工程为研究对象，重点分析了在隧道拱顶、拱腰和边墙存在空洞，采用W钢带加固隧道时的作用和效果。

1 工程概述

某山岭隧道工程全长978m，隧道最大跨度为11.4m，高度为10.2m，中心埋深约64m，研究区间内主要围岩级别为III级，工程区内不考虑地表和地下水存在的影响。由于在本工程中经常遇到空洞情况，拟采用幅宽为250mm、厚度为5mm的W钢带对隧道管片衬砌进行环向处理，钢带纵向间距为1.0m。钢带使用时需要在衬砌与钢带之间涂刷胶黏剂，在胶黏剂的作用下可以使钢带与衬砌之间进行粘结成为一体，之后再利用锚栓对钢带进行固定处理，所采用的锚栓型号为M16化学螺栓，施工时螺栓的植入深度应不小于16cm。

2 数值建模

2.1 模型建立

如图1所示，为采用有限元软件ABAQUS建模得到的数值模型图。建模时模型上表面即为地表，模型长、宽、高分别为60m、2m和100m，网格共计3862个，模型左右、前后边界以及底部均进行位移和边界约束，土体本构模型采用摩尔库伦本构模型。在研究区段内主要土质为III级围岩，表1给出了围岩的物理力学参数。隧道最大跨度为11.4m，高度为10.2m，中心埋深为64m，土体采用实体单元，初期支护以及二次衬砌采用结构单元，初期支护采用钢拱架和喷浆的处理方法，混凝土标号为C25；二次衬砌采用钢筋混凝土衬砌并与初期支护组成复合式衬砌，混凝土标号为C35。为了简化计算，初期支护以及二次衬砌的具体物理力学参数如表2所示。如图2所示，为隧道衬砌及钢带示意图。

图1 数值模型图

图2 隧道衬砌及钢带示意图

表1 土体的物理力学参数

表2 隧道结构力学参数

2.2 监测点布置

如图3所示，共设置17个监测点。

图3 监测点布置图

3 数值结果分析

3.1 普通工况下W钢带加固分析

首先分析隧道衬砌背后不存在空洞情况，如图4所示，为钢带加固前后位移对比曲线，由图可知，采用W钢带加固之后，相比于未加固时，隧道左右边墙以上部分衬砌竖向沉降明显减小，其中对拱顶的加固效果最为明显，拱顶在加固前后的沉降分别为-27.8mm和-15.1mm，即加固后拱顶沉降减小了45.7%，加固效果明显。

图4 普通工况下钢带加固前后位移对比曲线

3.2 存在空洞工况下W钢带加固分析

在研究区段内，主要存在如图5所示的衬砌背后空洞形式，分别为拱顶背后空洞、拱腰背后空洞和边墙背后空洞，空洞的大小均取20.5°。

图5 三种空洞形式

3.2.1隧道拱顶存在空洞

如图6所示，为隧道拱顶背后存在空洞时采用W钢带加固前后的隧道衬砌竖向位移云图，由图可知，在采用W钢带加固之后，隧道衬砌拱顶空洞处竖向位移明显减小，并且从衬砌钢带到拱腰区域，采用W钢带加固之后，衬砌的竖向位移也明显小于未采用加固措施时，因此，采用W钢带加固可以有效提高衬砌的承载能力，并可以改善隧道拱顶背后存在空洞这一问题。

如图7所示，为W钢带加固前后拱顶背后存在空洞工况下钢带加固前后位移对比曲线，由图可知，采用W钢带加固之后，相比于未加固时，隧道衬砌竖向沉降明显减小，对于拱顶，在加固前后的沉降分别为-8.3mm和-2.5mm，即加固后拱顶沉降减小了69.9%，衬砌承载能力提升明显。

图6 隧道拱顶存在空洞时竖向位移云图

图7 拱顶存在空洞工况下钢带加固前后位移对比曲线

3.2.2隧道拱腰存在空洞

如图8所示，为隧道拱腰背后存在空洞时采用W钢带加固前后的隧道衬砌竖向位移云图，由图可知，衬砌两侧沉降不对称，左侧略大，且在采用W钢带加固之后，隧道衬砌拱顶附近沉降减小，拱底隆起也减小，因此，采用W钢带加固可以有效提高衬砌的承载能力。

如图9所示，为W钢带加固前后拱腰背后存在空洞工况下钢带加固前后位移对比曲线，由图可知，采用W钢带加固之后，相比于未加固时，隧道在监测点5～12范围内衬砌竖向沉降减小，对于拱顶沉降减小最为明显，在加固前后的沉降分别为-24.6mm和-14.3mm，即加固后拱顶沉降减小了41.9%，衬砌承载能力提升明显。

图8 隧道拱腰存在空洞时竖向位移云图

图9 拱腰存在空洞工况下钢带加固前后位移对比曲线

3.2.3隧道边墙存在空洞

如图10所示，为隧道边墙背后存在空洞时采用W钢带加固前后的隧道衬砌竖向位移云图，由图可知，在采用W钢带加固之后，隧道衬砌竖向位移明显减小，包括拱顶沉降和拱底隆起均减小，因此，采用W钢带加固可以有效提高衬砌的承载能力，并可以改善隧道边墙背后存在空洞这一问题。

图10 隧道拱腰存在空洞时竖向位移云图

如图11所示，为W钢带加固前后边墙背后存在空洞工况下钢带加固前后位移对比曲线，由图可知，由于空洞的存在，边墙空洞附近位移增大，采用W钢带加固之后，相比于未加固时，隧道衬砌竖向位移明显减小，对于拱顶，在加固前后的沉降分别为-26.9mm和-14.7mm，即加固后拱顶沉降减小了45.4%，衬砌承载能力提升明显。