龍浩然

(武漢地鐵集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430077)

0 前 言

目前針對二次襯砌厚度不足缺陷，主要原因是背后脫空、斷面欠挖或施工本身原因。玻璃纖維混凝土作為新型復(fù)合材料，近些年在建筑行業(yè)發(fā)展較快，但作為隧道二次襯砌厚度不足病害補(bǔ)強(qiáng)措施的應(yīng)用較少。研究表明合理摻入玻璃纖維可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度[1]，可彌補(bǔ)普通噴射混凝土作為二襯補(bǔ)強(qiáng)材料在強(qiáng)度、韌性、抗裂性等方面的不足。綜上，有必要針對利用玻璃纖維混凝土作為山嶺隧道襯砌厚度不足補(bǔ)強(qiáng)材料方案進(jìn)行研究。

1 隧道概況及病害情況

某隧道為雙洞單向公路隧道。隧道主要穿越強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，埋深0～75 m。由于現(xiàn)場施工原因，隧道部分段落(ZK2+482～ZK2+494段)襯砌厚度明顯不足，且存在裂縫發(fā)展情況。相關(guān)檢測公司針對隧道缺陷段進(jìn)行了二次襯砌厚度的檢測，通過二襯混凝土厚度雷達(dá)圖可知該段的拱頂襯砌厚度均值約30 cm，左右邊墻襯砌厚度均值40 cm，與原設(shè)計厚度相差10～20 cm，原因在于拱部襯砌背后脫空以及斷面整體欠挖。經(jīng)查閱涉相關(guān)資料，該缺陷段采用為Ⅴa型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其中二襯設(shè)計強(qiáng)度為C30，設(shè)計厚度為50 cm。

1)襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價。襯砌厚度不足等質(zhì)量缺陷對結(jié)構(gòu)的安全影響較大。襯砌安全評價應(yīng)明確病害段襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，并結(jié)合規(guī)范要求進(jìn)行綜合判斷。

2)典型缺陷斷面數(shù)值分析。

(1)計算模型。選取典型斷面進(jìn)行分析，該斷面埋深67.4 m，采用有限差分軟件，模型中圍巖采用彈塑性材料，滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性材料，材料全部采用實體單元模擬，模型網(wǎng)格劃分圖見圖1。

(2)計算參數(shù)選取。計算中巖土體物理力學(xué)材料參數(shù)以地質(zhì)鉆孔勘察報告和經(jīng)驗取值為依據(jù)。模擬中，假定拱頂處二襯厚度為30 cm，左右邊墻腳處為40 cm，兩位置之間的二襯厚度均勻漸變；且拱頂脫空部位已注漿密實，襯砌與圍巖密貼。具體計算參數(shù)取值見表1。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

表1 模型中主要物理參數(shù)

(3)內(nèi)力計算結(jié)果。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，求得襯砌結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩，繪制隧道典型缺陷斷面二次襯砌的軸力及彎矩圖，如圖2所示。

圖2 病害段襯砌內(nèi)力圖(單位：kN·m)

(4)安全性檢算。根據(jù)隧道左線襯砌缺陷情況資料，針對其局部范圍內(nèi)存在的二次厚度不足問題，依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)[2]，參考荷載-結(jié)構(gòu)法檢算襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，其中鋼筋混凝土抗壓(ky)或抗彎安全系數(shù)(kw)最小值取2.0。根據(jù)檢算結(jié)果作安全系數(shù)分布見圖3。

圖3 安全系數(shù)(kw)分布圖

由襯砌單元檢算結(jié)果及圖3可知，襯砌安全系數(shù)不符合規(guī)范要求的單元位置集中在拱部與邊墻，其中邊墻處單元全部檢算不合格，部分拱部邊緣單元檢算不合格，且拱部其余檢算合格的單元，其安全儲備均很小，安全系數(shù)最高未超過2.1，應(yīng)考慮針對性補(bǔ)強(qiáng)處理。

2 襯砌厚度不足整治方案

由檢算結(jié)果可知，在拱頂脫空部位已注漿密實的條件下，邊墻處單元全部檢算不合格，部分拱部邊緣單元檢算不合格，且拱部其余檢算合格的單元，其安全儲備均很小。綜合隧道圍巖等級、病害范圍及程度、施工進(jìn)度等因素，考慮病害段脫空部位先采用注漿填充，再采用拱部、邊墻部位掛網(wǎng)噴纖維玻璃混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固二次襯砌的措施，以改善襯砌厚度不足區(qū)域的結(jié)構(gòu)受力及裂縫發(fā)展情況。

本次整治方案中的噴射混凝土采用玻璃纖維混凝土，強(qiáng)度應(yīng)不小于原二襯強(qiáng)度(采用C30)，考慮現(xiàn)場施工和限界問題，在拱頂至邊墻腳二襯表面打設(shè)釬釘，掛網(wǎng)后均勻噴射20 cm厚玻璃纖維混凝土進(jìn)行整治。具體步驟如下：①對襯砌背后脫空部位進(jìn)行注漿充填；②清理二襯表面并打磨粗化，以提高界面粘接強(qiáng)度；③機(jī)械打設(shè)釬釘并布設(shè)鋼筋網(wǎng)；④由熟練的噴射手進(jìn)行噴混凝土施工，注意噴混凝土厚度應(yīng)盡量達(dá)到均勻一致；⑤養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行噴混凝土表觀粗糙度處理，注意與正常襯砌段落的過渡應(yīng)自然美觀。

3 整治方案比選及現(xiàn)場施工效果

1)整治方案數(shù)值分析。加入玻璃纖維后，混凝土的強(qiáng)度較原混凝土必然有一定提高，綜合文獻(xiàn)[3-4]和規(guī)范[2]中對C30噴射混凝土強(qiáng)度的建議值，在建模時采用了如表2所示的計算參數(shù)。

表2 玻璃纖維混凝土(C30)主要物理參數(shù)

2)整治方案效果分析。由圖4可知，各工況下的最小安全系數(shù)值均在墻腳部位，整治前隧道邊墻腳部位最為薄弱，整治方案中全環(huán)二襯單元的安全系數(shù)值滿足規(guī)范要求，且在邊墻和拱部范圍內(nèi)襯砌安全系數(shù)有較大提高。因此，采用釬釘掛網(wǎng)噴射玻璃纖維混凝土進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的方案是可行的。

圖4 安全系數(shù)(kw)對比圖

3)現(xiàn)場施工情況。結(jié)合現(xiàn)場配比試驗結(jié)果，考慮工程經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)安全性，材料在原C30噴射混凝土的基礎(chǔ)上摻入6 kg/m3的玻璃纖維時較為合理?，F(xiàn)場噴射纖維混凝土的施工流程見圖5。

圖5 噴射玻璃纖維混凝土施工流程圖

現(xiàn)場噴混凝土施工后，雖然平整度較模筑混凝土有一定差距，但對比襯砌變形及表面裂縫監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)病害整治段襯砌服役表現(xiàn)并不遜色于正常段，尤其表現(xiàn)在裂縫發(fā)展規(guī)模及裂縫大小方面，這也是玻璃纖維混凝土抗裂性能優(yōu)越的體現(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

本文主要結(jié)合理論公式和數(shù)值分析手段，對襯砌厚度不足缺陷段采用玻璃纖維噴混凝土整治前后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評價，得出主要結(jié)論如下。

1)采用專項玻璃纖維噴混凝土方案對襯砌缺陷斷面進(jìn)行整治后，相應(yīng)區(qū)段襯砌結(jié)構(gòu)安全性明顯提升，安全系數(shù)滿足公路隧道設(shè)計規(guī)范的要求。

2)采用釬釘掛網(wǎng)噴射玻璃纖維混凝土進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)總體是可行的，通過合理的噴射玻璃纖維混凝土補(bǔ)強(qiáng)處理，病害整治段襯砌結(jié)構(gòu)服役表現(xiàn)良好，尤其表現(xiàn)在裂縫發(fā)展規(guī)模及裂縫大小方面。

3)建議在利用玻璃纖維混凝土進(jìn)行襯砌病害整治前，通過多組配合比試驗、力學(xué)試驗和噴射效果試驗，確定最優(yōu)玻璃纖維摻量和其他材料用量，以達(dá)到理想的整治效果。

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