公路隧道套拱加固施工技术及受力分析

■雷发根

（清流县城市建设投资服务中心，清流 365399）

随着我国经济水平的持续发展，交通运输及工程建设规模与数量不断增长，而公路隧道作为提升公路运输效率与道路服务水平的重要基础设施，在经济发展中起到了非常重要的作用。 截至2020 年底，我国公路隧道数量达到21316 座，已经成为隧道建设最多、运营里程最长的国家[1]。 早期公路隧道建设受到设计水平、施工技术、运营环境等因素影响，现有隧道衬砌结构逐渐出现破损、开裂、渗水等较严重病害，给公路隧道的运营安全埋下了隐患[2]。国内众多学者已经就隧道衬砌病害成因及发展规律方面开展了大量的调查分析研究[3-5]，并针对不同的衬砌病害类型给出相适应的处治措施[6-8]。 为了进一步完善既有公路隧道衬砌结构病害处治方法，确保公路隧道运营安全，本文依托福建省某隧道病害治理工程，根据隧道衬砌雷达检测结果统计了病害类型及数量，并针对病害特征提出相应的加固处置措施； 同时采用MIDAS/GTS 有限元软件对衬砌断面进行受力分析，并给出结构安全性评价，为公路隧道加固和类似工程建设提供参考。

1 工程背景

福建省某隧道工程隧道区属构造——剥蚀丘陵地貌，植被发育，自然边坡较稳定，自然坡度25°～35°，山岭呈近南北向，山脊（顶）浑圆状。 进口处地面高程305～310 m，出口处地面高程260～265 m，隧道轴线最大海拔标高560 m，进口段自然坡度25°～40°，出口段自然坡度15°～30°。 隧道场址区未见有影响的滑坡、崩塌、泥石流、采空区、岩溶等不良地质作用。 但断裂构造发育，岩石风化强烈，受构造影响，隧道围岩级别较低。洞体围岩级别以II～IV 级为主，进出口处和构造通过地段为V 级。

2 隧道病害处治

2.1 衬砌病害统计与分析

隧道运营期间由于受到前期施工水平、地质环境、后期养护等因素影响，将逐渐出现衬砌裂损、渗水、掉块等病害，其中裂损病害尤为突出。 根据该隧道病害段调查结果可知，病害段范围内发现二次衬砌混凝土出现横缝3 条，总长9.7 m；纵缝7 条，总长57.2 m；斜缝1 条，总长3.5 m；混凝土剥落且剥落周边混凝土松动1 处； 拱顶空洞1 处， 深度为20 cm，二次衬砌厚度约为2～4 cm，隧道空洞现场如图1 所示。

图1 隧道拱顶空洞现场

根据隧道主要病害情况可知：（1）隧道裂缝病害主要集中在隧道实测衬砌较薄处，其原因可能是受前期施工水平影响，混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，在受到围岩和模板的约束时变形产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时产生裂缝并进一步发育；（2）隧道衬砌与初支之间存在脱空现象，支护结构的不均匀接触会导致紧密状态发生变化，从而改变外部荷载的传力路径，严重影响隧道结构的承载能力，其原因可能是由于二次衬砌浇筑时泵送压力控制不良，从而造成拱顶部的混凝土密实度不足，最终导致衬砌发生掉块情况。

2.2 衬砌加固措施

根据该隧道工程衬砌病害情况并结合原设计方案，考虑实际施工安全性、可操作性与经济性，在确保不降低隧道结构的安全性和功能性的条件下，针对二次衬砌欠厚情况给出不同加固措施。

2.2.1 套拱嵌入钢支撑加固

当二次衬砌厚度不足原设计的1/2 时， 建议采用模筑套拱方式作为加固措施。 主要施工技术要点有：（1）衬砌凿除要求。 凿除衬砌宜采用机械切割，对欠厚范围内开凿、植筋钻孔时要注意观察，若有发现混凝土突然出现大量裂缝或松动情况及时停止钻孔、安排施工人员撤离，并通知技术人员进行机械排险；（2）工字钢架立要求。 边墙工字钢架立前对拱脚处进行人工整平处理，清除底脚的虚渣及杂物； 工字钢成环后应检查其于原衬砌贴合情况，若有空隙应用结构胶或聚合物砂浆填补；各单元钢支撑由工字钢、连接板焊接成型，焊接采用全周边角焊，焊脚高度不小于6 mm；（3）浇筑要求。 空洞及防水板外露修补模板宜固定于支架上，必要时可以利用临时钢支撑固定，保证有足够的刚度、强度和稳定性；套拱浇筑时模板应在原衬砌伸缩缝及沉降缝处断开；模板安装时应注意模板的缝隙，必要时用止浆片、止浆条堵浆；浇筑前应在每段工字钢背后预留1～2 处注浆管，浇筑完成后进行注浆，注浆完成后封堵； 纵向浇筑可按沉降缝或施工缝分段，竖向浇筑最高不应超过3 m； 分层浇筑时严禁破坏不锈钢丝网，钢丝网应外露20 cm。

2.2.2 粘贴钢带加固处治

对于二次衬砌厚度1/2B≤D≤3/4B （B 为二次衬砌设计厚度，D 为二次衬砌实测厚度）的段落，欠厚处易导致二次衬砌脱落掉块等严重问题，建议采用粘贴加固措施进行处治。 主要施工技术要点有：（1）施工前准备：钢带应对衬砌表面打磨（深度2～3 mm）， 必须完全露出新面， 并用压缩空气吹除粉尘，然后将衬砌表面清理干净；锚固螺栓安装应先探测混凝土中钢筋分布情况，螺栓环向间距可根据现场情况作适当调整，通过锚栓将钢板锚固于二次衬砌上，预留注浆间隙；（2）钢带粘贴过程：对螺栓固定的钢带用结构胶封边，预埋灌胶嘴（环向间隔0.5～1 m 设置）、出气孔；压力注浆应按从下至上的顺序进行，并保证注浆压力持续、缓慢、均匀，保证注浆密实度；待钢带施工完成后，再用环氧树脂胶浆封面，环氧树脂胶封面应涂刷均匀，色泽与周围混凝土保持一致。 钢带粘贴方案典型断面如图2 所示。

图2 钢带粘贴加固断面

2.2.3 衬砌脱空病害处治设计

衬砌脱空缺陷将影响结构受力形态，且对运营隧道存在较大的安全隐患。 对于衬砌脱空的段落，建议采用注浆加固措施进行处治。 主要施工技术要点有：（1）根据检测确定的范围进行钻孔（钻孔个数可根据脱空面积大小决定，排气孔应置于最上方位置）、埋设注浆管，待注浆管固定后注水泥浆，浆体固化后割除注浆管并进行表面封堵；（2）钻孔过程采用的设备应根据检测脱空范围的二次衬砌厚度设置有效的定位装置， 防止钻孔过程中钻破防水板。 砌防水板外露及空洞处理如图3 所示。

图3 衬砌防水板外露及空洞处理示意图

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

根据《公路隧道加固技术规范》[9]规定，深埋隧道的整体式衬砌结构内力计算宜采用荷载结构法，因此， 本文采用MIDAS GTS NX 有限元分析软件，根据衬砌破损尺寸、围岩等级及实测衬砌厚度情况选取计算断面建立二维数值模型，分析隧道衬砌修复前及套拱加固后的受力状况，为加固处治方案提供理论依据。 本次计算采用梁单位模拟衬砌结构，围岩对衬砌结构的作用采用弹性连接（只受压）单元模拟，围岩与支护参数如表1 所示。 数值模拟考虑以下2 种计算工况：（1）工况1 为隧道衬砌实测厚度， 衬砌材料为C25 混凝土， 按承担100%荷载取，计算模型如图4 所示。 （2）工况2 为套拱加固，套拱材料为C30 混凝土， 按承担40%荷载取值[10]，计算模型如图5 所示。

表1 围岩与支护参数

图4 工况1 计算模型

图5 工况2 计算模型

3.2 模型计算

经计算，工况1 情况下C25 素砼衬砌断面实测厚度如表2 所示。

表2 C25 素砼衬砌断面实测厚度 （单位：cm）

经计算， 衬砌结构应力云图如图6 和图7 所示，内力计算结果如表3 所示。 由表3 可知，隧道左拱腰安全系数小于《公路隧道设计规范》[9]规定值，故应对衬砌结构采取加固措施。

图6 工况1 轴力图

图7 工况1 弯矩图

表3 衬砌内力计算结果

经计算，工况2 情况下套拱结构应力云图如图8、图9 所示，内力计算结果如表4 所示。 由表4 可知，隧道各位置安全系数均大于 《公路隧道设计规范》规定值[9]，满足规范要求，故加固后的截面安全，套拱结构能够有效控制破损衬砌继续产生变形。

图8 工况2 轴力图

图9 工况2 弯矩图

表4 套拱内力计算结果

4 结论

通过本隧道套拱加固工程的成功应用，以期为类似隧道加固工程及类似建设项目提供理论指导和安全施工建议，并得到以下重要结论：（1）在确保不降低隧道结构的安全性和功能性的条件下，针对二次衬砌欠厚情况给出不同加固措施，加固后原有衬砌病害未出现，效果良好。 （2）按照隧道套拱加固施工技术的指导， 套拱可以与原衬砌结合成一体，通过协调变形及共同受力提高原衬砌结构安全性，保障公路隧道安全运营。