断面扁平隧道结构套拱加固效果分析*

朱 波，冯 劲，邹春贤，刘学增，桑运龙,4，孙 州,4

(1.武义县交通运输局，浙江 金华 321200；2.浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310031；3.上海同岩土木工程科技股份有限公司，上海 200092；4.上海地下基础设施安全检测与养护装备工程技术研究中心，上海 200092)

0 引言

随着我国公路隧道养护里程及运营年限的不断增加，隧道裂缝等结构病害问题日益突出，严重威胁隧道结构运营安全，隧道结构开裂问题[1-3]及隧道结构加固方法受到众多学者关注。

在裂缝研究方面，黄宏伟等[4]采用扩展有限元分析了衬砌结构裂缝分布规律、扩展过程和发生机制；王建秀等[5]结合双连拱公路隧道分析认为，结构偏压荷载、不均匀沉降、不合理的施工工序及混凝土温度是隧道产生裂缝的主要原因。在隧道结构加固方法方面，秦洲等[6]阐述了公路隧道衬砌不同加固方法及相应的加固关键技术，刘学增等[7]采用模型试验分析了不同损伤状态下衬砌套拱加固构件变形特征、破坏模式及加固效果，刘燕鹏等[8]分析了采用复合式套拱加固方法对六盘山裂损衬砌进行加固可行。李晓琴等[9]研究了竖向松弛地压作用下两车道公路隧道衬砌采用ECC，R/ECC，RC 3种套拱加固方案下不同损伤衬砌的力学行为和加固效果。但对于偏压荷载作用下断面扁平隧道套拱加固结构开裂损伤演化机制与加固效果的研究相对较少。

本文采用塑性损伤与扩展有限元(XFEM)计算模型对比分析了偏压荷载作用下断面扁平隧道结构加固前后受力变形特征损伤演化过程和裂缝扩展规律，分析了隧道叠合式套拱结构对原结构承载特性的影响。

1 工程概况

浙江武义白阳山隧道2005年建成通车，运营已达15年，隧道采用单洞双向行驶模式穿过白阳山，长度为480m，埋深为0～110m，隧道进出口洞门为端墙式，明洞为现浇钢筋混凝土等截面曲墙式衬砌结构，暗洞衬砌结构按新奥法原则采用复合式单圆曲墙衬砌。采用锚杆、钢筋网及喷射混凝土等进行初期支护，二次衬砌采用混凝土衬砌结构，两层间设置防水层。隧道穿越全～强风化凝灰质砂岩，节理、裂隙发育，围岩稳定性一般～较差，同时水量较丰富，随季节性变化，进洞口段左边地势高、右边地势低，如图1所示。

图1 白阳山隧道进洞口

2 计算模型与参数选取

2.1 数值计算模型

基于白阳山V级围岩洞口偏压段运营隧道，采用荷载结构法建立三维有限元计算模型，地层抗力通过只受压不能受拉的非线性弹簧模拟，地层抗力系数为150MPa/m，结合白阳山隧道洞口段地质条件、隧道结构左拱腰病害特征及JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》[8]中偏压隧道衬砌荷载计算方法，将隧道外部荷载简化为左拱腰45°范围内荷载为251kPa，拱顶和边墙为58.2kPa的初始荷载，如图2所示。

图2 数值计算模型

隧道断面宽1 341cm、高934cm，衬砌厚45cm，套拱厚30cm，轴向长度取10m，高跨比为0.69，为典型的断面扁平隧道，如图3所示，不考虑钢筋和混凝土间的黏结滑移，钢筋嵌入混凝土中，原结构与套拱间采用共结点方式模拟，采用“追踪单元”模拟套拱的加固时机，追踪套拱加固前原结构的变形形态，隧道前、后面施加水平约束，研究偏压荷载作用下断面扁平隧道结构加固前后受力损伤演化机制与叠合式套拱结构加固效果。

图3 隧道断面尺寸(单位：m)

2.2 模型参数

表1 力学参数

2.3 计算工况

计算工况如表2所示。

表2 计算工况

3 扁平隧道结构破坏及裂缝扩展过程分析

3.1 扁平隧道结构破坏分析

偏压荷载作用下，隧道结构整体表现为左拱腰斜向压缩，左边墙、右拱腰向外扩张的变形形态，如图4所示，钢筋发生屈服时，隧道左拱腰部位沉降为63.66mm，边墙收敛为17.84mm。

图4 隧道结构变形

荷载与混凝土结构应力关系曲线如图5所示，随着荷载增加，隧道左拱腰内侧、左边墙外侧、右拱腰外侧等部位混凝土依次达到抗拉强度，结构发生开裂；随后，左拱腰外侧、左边墙内侧、右拱腰内侧、右拱脚内侧等部位混凝土达到抗压强度发生屈服。

图5 荷载与混凝土结构应力关系曲线

结合隧道结构受力变形特征，隧道破坏过程总体可分为结构弹性变形阶段、隧道左拱腰内侧开裂～左拱腰外侧压屈、隧道左拱腰外侧压屈～右拱脚内侧压屈及隧道右拱脚内侧压屈～隧道结构钢筋屈服4个阶段(见图6)。

图6 隧道结构最小主应力

3.2 扁平隧道结构裂缝扩展过程分析

扁平隧道结构偏压荷载与裂缝扩展关系曲线如图7所示，结合钢筋受力过程与裂缝扩展特征，可将裂缝扩展分为无裂缝的弹性受力、裂缝沿深度方向快速扩展、裂缝缓慢扩展～结构压屈及裂缝快速张开～结构破坏4个阶段。

图7 荷载与裂缝扩展关系曲线

4 扁平隧道结构叠合式套拱加固效果分析

4.1 套拱加固前后变形特性对比分析

从结构安全角度考虑，以左拱腰内侧钢筋抗拉强度达到400MPa时的外部荷载作为原结构的破坏荷载，为950kPa，取原结构破坏荷载的50%(中等破损状态)作为加固点对比分析加固前后隧道结构的变形特性。套拱加固前后隧道结构整体均表现为左拱腰斜向压缩，左边墙、右拱腰向外扩张的变形形态，套拱加固前后隧道结构变形曲线如图8所示。

图8 套拱加固前后结构变形曲线

由图8可知，未进行套拱加固前，原结构与套拱加固结构左拱腰沉降曲线及边墙收敛曲线完全重合，套拱加固时，原结构左拱腰内侧裂缝深度为22.5cm，沉降24.6mm，边墙收敛8.2mm，左边墙内侧开始出现压屈现象，随后原结构的变形斜率逐渐增大，沉降速率为0.068mm/kPa，结构刚度逐渐减小，套拱加固结构沉降速率为0.024mm/kPa，相同荷载作用下，套拱加固结构变形速率相比于原结构减小64.7%，套拱加固后钢筋屈服时左拱腰沉降为90.1mm，边墙收敛为29.4mm。

4.2 套拱加固前后受力特性与破坏过程对比分析

套拱加固前后隧道结构混凝土压应力曲线如图9所示，套拱加固前，套拱加固结构左拱腰外侧、右拱腰内侧及右拱脚内侧混凝土压应力曲线与原结构完全重合；套拱加固后，相比于原结构在相同荷载作用下加固结构混凝土应力明显降低，右拱腰内侧压屈荷载由535kPa提高至1 621kPa，右拱脚内侧压屈荷载由835kPa提高至1 840kPa。

图9 套拱加固前后隧道结构混凝土压应力曲线

隧道结构的破坏顺序由原来的隧道左拱腰外侧、左边墙内侧、右拱腰内侧、右拱脚内侧依次发生屈服转变为隧道左拱腰外侧压屈、左边墙内侧屈服、套拱左拱腰内侧开裂、套拱钢筋受拉屈服、右拱腰内侧压屈，套拱在结构承载和破坏机制上发挥了重要作用。

偏压荷载作用下，套拱加固前后隧道结构钢筋应力曲线如图10所示。由图10可知，原结构钢筋应力主要分为缓慢增长、快速增长、屈服3个阶段，套拱加固后钢筋应力分为缓慢增长、快速增长、应力调整与屈服4个阶段。

图10 套拱加固前后隧道结构钢筋应力曲线

分析其原因，主要是因为原结构开裂前，隧道结构应力水平较低，原结构开裂后，裂缝沿深度方向快速扩展，裂缝宽度随着深度的增加而减小，结构抗拉强度主要由钢筋承受，钢筋应力迅速增加，随着外部荷载的增加，钢筋发生屈服；套拱加固后，结构外部荷载由隧道结构与套拱共同承受，原结构钢筋应力相比于加固前增加速率明显减小，左拱腰内侧套拱钢筋应力快速增加，结构整体刚度明显提高。

4.3 套拱加固前后承载性能与破坏形态对比分析

偏压荷载作用下，扁平隧道结构加固前后破坏状态如图11所示。由图11可知，隧道结构加固前后破坏形态基本一致，隧道衬砌整体上表现为“左拱腰向内塌陷，左边墙、右拱腰向外扩张”的破坏形态。左拱腰内侧、左边墙外侧及右拱腰外侧是决定结构是否发生破坏的关键控制部位，应加强这3个部位的配筋，提高偏压荷载结构的承载力。

图11 隧道结构破坏形态

原结构破坏时裂缝深度为22.5cm，裂缝表现为“Λ”形态，叠合式套拱结构破坏时，首先表现为套拱裂缝贯通达30cm，然后套拱钢筋、原结构钢筋相继发生屈服，套拱加固后的原结构裂缝也呈现“Λ”形态，张开度比未加固结构小。

套拱加固前后隧道结构承载性能对比分析如表3所示，套拱加固后破坏荷载1 946kPa，是原结构破坏荷载的2.04倍，套拱加固后结构承载力大幅度提高，有效改善了原结构的承载性能，套拱加固效果明显。

表3 套拱加固前后承载性能对比分析

5 结语

依托浙江白阳山运营隧道洞口段现场实际地质条件研究了偏压荷载作用下断面扁平隧道结构加固前后受力损伤演化机制，对比分析了隧道结构套拱加固的承载性能与加固效果，得到以下结论。

1)偏压荷载作用下，套拱加固前后隧道均表现为“左拱腰向内塌陷，左边墙、右拱腰向外扩张”的破坏形态，左拱腰内侧、左边墙外侧及右拱腰外侧是决定结构是否发生破坏的关键控制部位，结构破坏过程依次是隧道左拱腰内侧、左边墙外侧、右拱腰外侧等部位混凝土依次达到抗拉强度发生开裂，随后左拱腰外侧、左边墙内侧、右拱腰内侧等部位混凝土受压发生屈服，最后导致结构失去承载力发生破坏。

2)套拱加固后，结构外部荷载由隧道结构与套拱共同承受，原结构钢筋应力相比于加固前增加速率明显减小，套拱内钢筋应力快速增加，套拱结构裂缝张开度比未加固结构小，裂缝宽度随着深度的增加而减小，呈现“Λ”形态。

3)取原结构破坏荷载的50%(中等破损状态)作为加固点，套拱加固后，结构沉降速率为0.024mm/kPa，相比于原结构变形速率减小64.7%，结构刚度明显提高，叠合式套拱加固结构是原结构破坏荷载的2.04倍，套拱加固后结构承载力大幅度提高，有效改善了原结构的承载性能，套拱加固效果显著。

本文分析了偏压荷载作用下断面扁平隧道结构加固前后受力损伤演化机制与叠合式套拱结构加固效果，针对套拱加固结构的承载力计算方法还有待进一步研究，后续结合模型试验开展研究。