夏士添

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福建 福州 360004)

近年來,我國(guó)高速公路建設(shè)飛速發(fā)展,遇水搭橋,穿山挖遂,已經(jīng)建設(shè)成了密集的高速公路網(wǎng),而我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家,75%左右的國(guó)土是山地或是重丘,公路的大規(guī)模修建必然帶起了公路隧道的大發(fā)展。隧道橫穿各種復(fù)雜地層,在高速公路建成投入運(yùn)營(yíng)后,養(yǎng)護(hù)壓力加大,各種隧道病害也隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變長(zhǎng)而相繼出現(xiàn),因此隧道的養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Υ?如何在隧道出現(xiàn)病害時(shí)及時(shí)有效的采取合理的處理措施成為了一個(gè)重要課題,本文通過某高速公路隧道的病害處理,講述了如何進(jìn)行隧道病害的檢測(cè),修復(fù)方案設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用。

1 工程概況

某高速公路隧道,隧道全長(zhǎng)1.7km,采用雙向四車道,設(shè)計(jì)時(shí)速100公里,隧道開挖寬度約12m。本次出現(xiàn)病害的位置位于隧道ZK58+050～ZK58+090段,本段埋深約70m,原設(shè)計(jì)圍巖為晶屑凝灰?guī)r,圍巖為Ⅲ級(jí)。施工中發(fā)現(xiàn)巖體裂隙發(fā)育,為破碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu),根據(jù)施工時(shí)的會(huì)議紀(jì)要將此段落圍巖變更為Ⅴ級(jí),選用Ⅴ級(jí)的支護(hù)參數(shù),即采用超前小導(dǎo)管支護(hù),初期支護(hù)為厚24cm的C25噴射混凝土,以及I18工字鋼拱架,間距0.7m；二襯采用C25鋼筋混凝土,厚45cm。

2 隧道檢測(cè)

隨著檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展,隧道的檢測(cè)方法多樣,本次主要通過以下幾種方法對(duì)該段落隧道進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)主要通過肉眼觀察,配合采用裂縫寬度儀、鋼筋混凝土檢測(cè)儀、鋼尺等儀器檢測(cè)裂縫寬度、長(zhǎng)度、延伸方向以及分布情況,根據(jù)調(diào)查結(jié)果繪制隧道裂縫展開圖(如圖1)。從展開圖中可以一目了然的了解裂縫的分布情況,對(duì)整個(gè)隧道的病害位置判斷起到了指導(dǎo)性的作用。

圖1 隧道裂縫展開圖

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法主要是采用地質(zhì)雷達(dá)來檢測(cè)隧道襯砌混凝土內(nèi)部缺陷,看襯砌混凝土是否存在空洞、不密實(shí)及厚度不足等病害,如圖1裂縫展開圖所示在邊墻、拱腰與拱頂?shù)奈恢貌贾玫刭|(zhì)雷達(dá)測(cè)線。從表1的雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出隧道左半部分的二襯厚度基本滿足要求,而右半部分的厚度嚴(yán)重不足。另根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示,此段落存在多處強(qiáng)反射波,多次反射明顯,說明二襯背后存在脫空與不密實(shí)情況。且經(jīng)雷達(dá)掃描判斷初支鋼拱架的間距達(dá)到1.5m,超過了設(shè)計(jì)要求的0.75m,不符合設(shè)計(jì)要求。

表1 雷達(dá)測(cè)試二襯厚度表

2.3 載玻片監(jiān)測(cè)

載玻片監(jiān)測(cè)是將載玻片粘貼在裂縫處,通過定期復(fù)查載玻片開裂情況來監(jiān)測(cè)裂縫的狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖2所示,局部載玻片出現(xiàn)了開裂的情況,說明裂縫還在發(fā)展中,進(jìn)一步證明此段落隧道存在安全穩(wěn)定問題,裂縫應(yīng)定義為荷載變異型裂縫。

圖2 載玻片監(jiān)測(cè)開裂圖

2.4 鉆芯法

主要采用取芯機(jī)在隧道襯砌裂縫處取芯并配合使用鋼尺來檢測(cè)裂縫深度,和超聲波檢測(cè)法相互驗(yàn)證隧道二襯厚度。并截取芯樣做抗壓試驗(yàn)驗(yàn)證混凝土的抗壓強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)驗(yàn)證,本段隧道芯樣的抗壓強(qiáng)度基本能達(dá)到30Mpa以上,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3 隧道病害原因分析

根據(jù)以上檢測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,隧道左洞ZK58+056～ZK58+074斷面由于二襯厚度不足且為素混凝土,初支鋼拱架間距過大,且二襯及初支背后均存在不密實(shí),導(dǎo)致支護(hù)體系強(qiáng)度嚴(yán)重不足,引起二襯開裂。加固方案擬采用針對(duì)性的措施對(duì)空洞進(jìn)行注漿、對(duì)表面裂縫進(jìn)行修復(fù),并采用錨桿+W鋼帶的支護(hù)體系對(duì)支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。由于目前該段裂縫仍在擴(kuò)展,為了滿足承載力、穩(wěn)定和耐久性的要求,適應(yīng)隧道長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)安全的需要,錨桿+W鋼帶的支護(hù)體系的強(qiáng)度是否滿足要求是本次加固設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn),應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

4 加固方案驗(yàn)算分析

圖3 加固隧道結(jié)構(gòu)幾何模型簡(jiǎn)化示意圖

由于本段隧道埋深為70m,位于Ⅴ級(jí)圍巖深埋段,圍巖具有一定自承能力,且裂縫明顯存在不斷擴(kuò)展的過程,圍巖壓力應(yīng)考慮為開挖釋放荷載。因此本報(bào)告采用二維地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算。二襯厚度選取本段落中最薄的ZK58+056斷面,如圖3。

考慮整個(gè)施工過程,采用荷載分步釋放系數(shù)來模擬隧道開挖產(chǎn)生的荷載在空間及時(shí)間上的作用效應(yīng)。計(jì)算模型中隧道采用全斷面法開挖,考慮荷載分步釋放,不同施工步驟分別由圍巖、圍巖+初支、圍巖+初支+二襯、圍巖+初支+二襯+W鋼帶承擔(dān)。由于主要分析W鋼帶的受力,考慮W鋼帶施做后承擔(dān)20%的釋放荷載[1]。各施工步驟的荷載釋放系數(shù)如表2所示。

表2 施工步設(shè)置及荷載釋放系數(shù)

計(jì)算可采用巖土及地下工程專業(yè)有限元計(jì)算軟件midas,建立了二維地層-結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型。

模型中圍巖及二襯采用四邊形實(shí)體單元模擬,初支及W型鋼帶采用梁?jiǎn)卧M,錨桿則采用桿單元模擬。圍巖采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系,Mohr-Columb屈服準(zhǔn)則,其余結(jié)構(gòu)均定義為彈性材料。建立網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 隧道周邊有限元網(wǎng)格示意圖

位移邊界條件：地表為自由邊界,其余各表面均約束法線方向的位移。

荷載邊界條件：考慮自重荷載,在第一荷載步計(jì)算自重作用下的初始應(yīng)力場(chǎng)[2]。

由于采用了二維有限元模型,初支、錨桿和W型鋼帶均考慮剛度的折算,如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)單元常數(shù)表

計(jì)算結(jié)果如下：

圖5 錨桿軸力結(jié)果(單位：kN)

如圖5所示,計(jì)算的φ32錨桿的軸力結(jié)果,可以看到所有錨桿均受拉,且大部分錨桿軸力約為30～40kN,相當(dāng)于承受20～30Mpa的拉應(yīng)力。而在邊墻處,特別是右側(cè)邊墻的錨桿軸力較大,達(dá)到375kN,拉應(yīng)力為280Mpa,達(dá)到HRB335鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[3]。這與屈服區(qū)位于邊墻的計(jì)算結(jié)果,以及二襯裂縫均位于邊墻處的現(xiàn)狀是吻合的。錨桿發(fā)揮了加固的作用。

如圖6所示為W鋼帶的軸力、彎矩結(jié)果,可以看出W鋼帶處于偏心受壓狀態(tài),最不利位置位于右側(cè)邊墻處。軸力最大值為152.6kN,彎矩最大值為0.0599kN.m。采用綜合安全系數(shù)法驗(yàn)算得到鋼帶最不利截面最大壓應(yīng)力為110.7Mpa,Q345鋼帶抗拉強(qiáng)度取為345Mpa,安全系數(shù)為3.1,滿足規(guī)范規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)應(yīng)為2.0。

圖6 W鋼帶軸力結(jié)果(單位：kN)

由計(jì)算結(jié)果可知,錨桿+W鋼帶的支護(hù)體系能滿足結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)要求,方案是可行的。

5 隧道加固施工

5.1 脫空與不密實(shí)

施工前應(yīng)根據(jù)檢測(cè)報(bào)告提供的空洞位置,進(jìn)一步探明空洞的實(shí)際情況,對(duì)一般的初支回填不密實(shí)采用注漿回填措施處治病害,對(duì)存在的較大空洞采用泵送混凝土分層回填,一次回填厚度不得大于10cm,施工時(shí)應(yīng)注意壓漿壓力的控制[4]。

5.2 表面裂縫修復(fù)

對(duì)于表面普通裂縫修復(fù)可采用畢可法(恒壓灌注法)進(jìn)行處理[5]：①用角磨機(jī)、鑿子、砂紙沿裂縫方向除去表面油污、浮漿等雜物；②布設(shè)注漿嘴；③裂縫密封：除預(yù)留注漿口之外和一個(gè)排氣口,用密封膠沿裂縫方向?qū)α芽p進(jìn)行密封,保證灌漿時(shí)不漏漿。④恒壓灌漿,待注入速度降低不再進(jìn)漿時(shí),拆除注漿器,清理表面封縫膠[6]。

5.3 W鋼帶+錨桿支付體系施工

對(duì)于W鋼帶+錨桿支付體系可參照以下施工步驟：①施工前應(yīng)對(duì)襯砌表面打磨平整,必須完全露出新面,并用壓縮空氣吹除粉塵,然后將襯砌表面清理干凈；②錨桿鉆孔,采用無水鉆進(jìn)方式成孔,同時(shí)用壓縮空氣清除孔壁巖屑；③鉆孔完成后將錨桿緩慢送入孔中設(shè)計(jì)位置,然后采用孔底注漿法注漿,止?jié){帶1m以上深層注漿壓力為0.8-1.2Mpa,止?jié){帶1m以下注漿壓力為0.2-0.4Mpa,錨桿安設(shè)完成后需對(duì)襯砌表面采用丙酮進(jìn)行清洗,注意錨固螺栓需等到W鋼帶粘貼完成后再安裝；④W鋼帶粘貼,鋼帶就位后采用錨固螺栓將鋼帶與錨桿連接錨固,錨固后用結(jié)構(gòu)膠封邊,與襯砌之間的空隙采用粘合劑進(jìn)行填充,注意W凹槽不得填充,作為排水通道。待W鋼帶施工完成后,再用環(huán)氧樹脂膠漿封面,環(huán)氧樹脂膠封面應(yīng)涂刷均勻。施工后的效果圖如以下圖7所示。

圖7 錨桿+W鋼帶支護(hù)施工效果圖

6 結(jié)語

隨著公路隧道養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大,如何理論結(jié)合實(shí)際,采用切實(shí)可行的加固方案成為了一個(gè)可以深入研究的課題。設(shè)計(jì)隧道修復(fù)加固方案時(shí)應(yīng)通過檢測(cè)和監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確的掌握隧道結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行隧道方案的確定,并進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證,最終得出切實(shí)可靠的方案,用于設(shè)計(jì)與施工。