新建公路对既有隧洞的影响及粘钢加固效用分析

曾思远，曹生荣，贺 欢，严 鹏

(1. 深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518036； 2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

近年来，为解决地区间水资源分布不均的问题，我国的跨流域输水工程建设发展迅速，越来越多的输水隧洞投入运营使用。同时，随着城市化的发展，各类道路工程建设也在如火如荼地进行。这就可能出现后续工程对先前工程产生不利影响的情况，例如在既有隧洞上方新建公路，公路完工投入使用后的车道荷载会对隧洞衬砌结构产生新的附加应力，对隧洞衬砌造成不利影响。

仇敏玉[1]用数值模型分析得知行车荷载在软土地基的影响深度可达到18 m；刘明[2]分析了车振荷载引起的隧道长期沉降；郭翔宇[3]分析了已建成隧道上方受到修建建筑物荷载的不利影响；何云勇[4]分析了高速公路填方路基及运营汽车荷载给既有浅埋引水隧洞带来的不利影响；邵珠山[5]分析了行车荷载对浅埋黄土隧道稳定性的影响。这些研究者主要分析沉降变形规律，对隧洞衬砌结构开裂的分析较少，故此方面尚需进行更深入的研究。这些文献也表明了新建公路对既有隧洞衬砌结构确实会造成诸多不利影响。针对既有隧洞衬砌结构已出现病害的情况，新建公路的不利影响更需加以考虑，适时有必要对隧洞采取加固措施。

目前关于水工输水隧洞衬砌的加固方法主要有：加大截面法、预应力法、内套钢拱架法、粘钢加固法、粘贴碳纤维布法等，这些方法各有优缺点与适用条件。近年来粘钢加固与粘碳纤维布加固运用较多，单成林[6]和任伟[7]都做过相应的对比试验。粘钢加固法工艺简单，施工便捷，可预制钢板快速粘贴施工，作业时间短。薄层钢板也不会显著增加结构自重，还能防止衬砌开裂导致的内水外渗，加固效果较好。

本文以碧沙北路道路工程跨碧岭隧洞为例，基于通用有限元分析软件ANSYS，考虑衬砌混凝土材料非线性特性，分析了新建公路对隧洞变形和开裂造成的不利影响以及粘钢加固的效果。可为隧洞与公路、铁路交叉施工等类似工程的加固方案提供类比参考。

1 有限元模拟计算

1.1 工程背景

碧岭隧洞位于东江水源工程供水网络干线的东部，全长17 930 m，为无压隧洞。隧洞为城门洞型，上半部为半圆拱，半径为2.1 m。下部为直边墙平底，隧洞断面净宽4.2 m，净高5.3 m。初期支护为锚喷支护，沿隧洞正截面左右边墙各布置4根横、纵向间距均为1 m的长2.5 mφ18锚杆，喷15 cm厚C20素混凝土。二次支护为模筑拱、墙30 cm厚，底25 cm厚的C25混凝土，隧洞衬砌设计图如图1所示。

图1 隧洞衬砌设计图(单位：mm)

隧洞埋深23 m，围岩类别为Ⅴ类围岩，岩性较差。该隧洞属长期“带病”运行，多年来还未对隧洞裂缝进行加固处理。故采取加固措施更显得十分必要。粘钢加固方案为采用2 mm厚的灌注型亲水环氧类结构胶粘贴10 mm厚Q235B级钢板，全断面粘钢加固[8]。道路施工开挖后将减小隧洞上方覆土埋深6m，即最终隧洞上覆土层厚度仅为17 m。设计公路为双向6车道，宽24 m。公路和隧洞交叉段示意如图2所示。

图2 两项工程交叉示意图

1.2 有限元模型

1)模型范围。建立了围岩土体、初次衬砌、二次衬砌、锚杆、粘贴钢板在内的整体有限元模型。以隧洞底板中心为原点，采用笛卡尔坐标系，上23 m(其中上覆土层17 m，开挖土层6 m)，下20 m，左20 m，右20 m。沿水流方向取12 m。

2)单元类型。围岩土体采用solid45模拟，便于初始地应力的平衡；初次衬砌和二次衬砌都用solid65模拟，可以定义材料的非线性特性来模拟衬砌混凝土的开裂；锚杆采用beam188模拟，既能模拟锚杆的轴向拉压，还能模拟锚杆所受到的剪力和弯矩，通过节点耦合将锚杆与土体和初衬建立相互作用关系；粘贴钢板用shell181模拟，可通过定义多层壳的厚度及材料种类模拟钢板和结构胶的双层复合结构，通过共节点与二次衬砌建立相互作用关系，不考虑粘贴钢板的滑移。

3)接触分析。采用Conta174和Targe170单元建立面-面接触对模拟初次衬砌和二次衬砌的相互作用关系，可实现刚体-柔体接触只传递法向压应力的作用。

4)位移约束。模型底部施加全约束，左右及前后端部施加法向约束。

整体模型、衬砌锚杆结构模型、模拟粘钢界面的多层壳单元分别如图3～图5所示，计算模型共有节点90 792个，单元87 881个。

图5 模拟界面粘钢的多层壳单元

1.3 材料参数

二衬混凝土采用William-Warnke五参数破坏准则[9]，关系式表述为：

式中：F为主应力状态；S为破坏曲面(表示为主应力状态和5个参数ft，fc，fcb，f1，f2的函数)；若应力满足上式，有主拉应力将导致混凝土构件拉裂，而有主压应力则将导致混凝土构件压碎。各强度参数的含义如下：

1)单轴抗压强度fc(η=60°，fc>0)；

2)单轴抗拉强度ft(η=0°)；

3)双轴等压强度fcb(η=0°，fcb>0)；

4)静水压力值ξ；

5)受拉子午线上较高压应力的实测强度坐标点(ξ1，f1)；

6)受压子午线上较高压应力的实测强度坐标点(ξ2，f2)。

理论分析可知钢板和锚杆均不会达到屈服，初衬不考虑非线性，材料参数见表1。考虑隧洞二衬裂缝较多强度不足，故将其强度乘以安全折减系数0.8，更符合实际并偏于安全。

表1 材料参数

1.4 工况荷载组合

计算考虑的荷载：重力；3.5 m水头的内水压力；外水压力0.08 MPa；车道荷载由道路设计单位通过基底附加应力计算得出为230 kPa。

先施加重力求解，生成初始地应力文件，再读入初始地应力文件，激活锚杆、初衬和二衬单元，施加重力求解，模拟隧洞成洞施工。之后计算如下工况，如表2所示。

表2 工况荷载

2 计算结果与分析

2.1 有限元计算结果

根据图6所示隧洞变形情况，分别计算接触间隙、顶拱、边墙和底板这四个特征变形量，用来表征隧洞的变形趋势。根据混凝土的破坏准则，用solid65单元模拟二次衬砌混凝土的非线性开裂，得到衬砌开裂图，图中蓝色表示开裂，红色表示未开裂，在二次衬砌各部分单元尺寸相同的条件下，统计开裂单元的位置和数量即可定性分析开裂位置并定量分析裂缝扩展范围。

图6 特征位置变形示意图

初始正常运行、车道影响以及粘钢加固这三种工况的对比计算结果如图7、8所示，变形量与开裂情况统计见表3、4。

图7 接触脱开变形对比图

图8 开裂对比图

表3 变形结果 mm

表4 开裂单元数量

2.2 新建公路的影响分析

新建公路后开挖了6 m覆土，公路隧洞交叉段受车道荷载的影响更明显。边墙最大凹陷变形由1.085 mm增大到1.421 mm，底板最大隆起变形由5.671 mm增大到6.244 mm，接触最大脱开变形间隙由4.981 mm增至5.73 mm，位于底板中部，但顶拱最大沉降变形由3.063 mm减小到2.373 mm，可知上覆土的重力对顶拱沉降变形影响较大，覆土厚度减小导致顶拱沉降变形减小。边墙与底板交汇处和底板中部的原有裂缝有逐步扩展的趋势，底板新增了149个开裂单元。边墙中部出现了大量新增裂缝，新增了600个开裂单元。顶拱起拱处也出现了小范围开裂，新增96个开裂单元。整体新增开裂单元共845个，占原有开裂单元的比例达46.28%。

故新建公路对隧洞衬砌确会造成一定的不利影响，主要表现为底板中部初衬和二衬脱开间隙变大，边墙和底板变形增大并出现大范围的开裂。隧洞开裂加剧内水外渗，从隧洞的长期安全稳定运行考虑，需对隧洞采取加固措施。

2.3 粘钢加固效用分析

可知在新建公路前粘钢加固隧洞，能在一定程度上减少车道荷载对隧洞衬砌的不利影响。加固后边墙最大凹陷变形由1.421 mm减小到1.033 mm，底板最大隆起变形由6.244 mm减小到5.378 mm，接触脱开间隙由5.73 mm减至4.54 mm，但顶拱沉降变形由2.373 mm增大到了3.022 mm。可知粘钢加固后边墙和底板位置的不利变形受限，变形减小；而顶拱中部位置的压力集中，最大沉降变形略有增大。

由开裂情况可知，加固后边墙中部开裂范围显著减小，只有右边墙中部出现了小范围开裂，边墙开裂单元由852个减小到414个，顶拱起拱处也未出现开裂。但边墙与底板交汇处和底板中部的裂缝加固效果不好。原因可能是二次衬砌底板在初始运行状态下裂缝太多，底板本身的结构强度显著降低，再进行粘钢加固处理效用不明显。建议对底板原有裂缝进行灌浆加固和粘钢加固联合处理，或能取得更好的加固效果。加固后总体上新增开裂单元减小了500个，占原有开裂单元的比例降低至18.89%，粘钢加固对防止衬砌开裂效用较显著。另一方面，钢板也可以防止衬砌贯穿裂缝形成渗漏通道而发生内水外渗的现象。因此，粘钢加固对提高既有隧洞在新建公路后衬砌结构的长期安全稳定性具有较良好的效果。

3 结 语

本文以碧沙北路道路工程跨碧岭隧洞为例，分析了在既有隧洞上方修建公路对隧洞衬砌结构造成的不利影响与粘钢加固的效用。结果表明：

1)新建公路产生的车道荷载会导致边墙凹陷、底板隆起、初衬与二衬脱开等不利变形增大，并新增大量裂缝。公路与隧洞交叉施工时需加以考虑。

2)粘钢加固能有效减小底板、边墙、初衬与二衬脱开间隙的变形量，防止衬砌原有裂缝扩展，减少衬砌新增开裂。通过粘钢加固处理后新增开裂占原有开裂的比例由46.28%降至18.89%，加固效果良好。

3)对于原有裂缝很多的位置，衬砌强度不足，加固效果较差。可考虑采用先灌浆加固修补原有裂缝，再粘钢加固的联合处理方法，或能取得更好的加固效果。