龔興旺

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031； 2.交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

通過對近幾年運營隧道檢測和調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)隧道普遍存在襯砌拱頂防水板切割[1]襯砌混凝土問題，該問題實屬隧道質(zhì)量缺陷。雖短時內(nèi)隧道仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但對于防水板切割襯砌拱頂混凝土，造成拱頂混凝土脫空程度較大、厚度較薄時，隨圍巖及材料劣化及周圍環(huán)境的變化，很可能導(dǎo)致較薄襯砌開裂、掉塊或脫空上方掉落沖擊而影響運營安全，故必須對探明的問題進行處治。目前主要的修補方案包括格構(gòu)法補強、套襯加固[2]、鑿除重建甚至利用波紋鋼[3]進行補強，本文只針對套襯加固補強方案進行研究，驗證套襯補強方案的合理性。

1 工程概況

常家院子隧道全長305 m，最大埋深約47 m。本隧為客貨共線，旅客列車設(shè)計行車速度200 km/h并開行雙層集裝箱單線隧道。除進口12 m采用明洞，其余采用復(fù)合式襯砌，III級復(fù)合式襯砌為C30混凝土厚35 cm。

隧區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，丘槽相間，地形起伏大，該隧道上覆第四系全新統(tǒng)坡(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土，厚度0～2 m；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖，強風(fēng)化帶1～4 m。為單斜構(gòu)造，洞身泥巖質(zhì)軟，巖層近于水平，節(jié)理發(fā)育，地下水不發(fā)育，地下水以孔隙潛水、基巖裂隙水為主，砂巖夾泥巖屬富水性中等含水層組，對混凝土無侵蝕性。

2 缺陷情況及分析

滬蓉線常家院子隧道位于重慶市潼南境內(nèi)，二襯混凝土設(shè)計厚度40 cm。防水板切割主要發(fā)生在左偏拱頂處。

K1750+212.5～+216.5(洞身標(biāo)123.5～127.5)左拱腰防水板切割襯砌(防水板后為灌漿膠凝體)，導(dǎo)致襯砌表面敲擊空響，空響范圍長2 m×寬2 m，且被切割襯砌表面存在縱、環(huán)向網(wǎng)狀閉合裂縫，裂縫最長達5 m、寬度2 mm，并有錯臺，且裂縫較上次檢查有明顯發(fā)展，裂縫延長約0.5 m(圖1)。

圖1 常家院子缺陷平面

3 加固方案

病害整治措施為套襯加固方案，套襯采用25 cm厚C40細石(自密實)模筑鋼筋混凝土，需采取合理的配合比施工措施，保證既有線模筑混凝土澆筑質(zhì)量。套襯施作前需將原有襯砌表面鑿毛處理，鑿毛后露出的新鮮混凝土面積不低于總面積的75%，鑿毛面用清水清理干凈，并不得積水，然后涂刷界面劑，以保證新舊混凝土連接良好，新舊混凝土面處理應(yīng)符合Q/CR9207-2017《鐵路混凝土工程施工技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

在對缺陷部位開天窗鑿除后，通過模筑混凝土修補受損的襯砌混凝土，再對襯砌缺陷部位設(shè)置整環(huán)套襯，保證結(jié)構(gòu)具有極大的安全儲備。套襯加固整治圖及鋼筋布置示意如圖2所示。

圖2 套襯加固整治

4 計算分析

4.1 計算過程

取隧道埋深40 m，隧道初支厚度20 cm，襯砌厚度40 cm，通過地層的地應(yīng)力平衡得到初始地應(yīng)力，結(jié)構(gòu)-圍巖荷載通過三維的地層-結(jié)構(gòu)模型進行傳遞。地層圍巖采用摩爾庫倫模型，結(jié)構(gòu)采用彈性模型，圍巖與結(jié)構(gòu)均為實體單元，分別考慮防水板切割襯砌混凝土?xí)r襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況，并與開窗修補、套襯加固后襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進行對比分析。

4.2 模型建立

通過建立三維有限元模型進行數(shù)值模擬計算，模型建立過程中對前后左右邊界施加法向約束，模型底部施加豎向位移約束，頂部為自由面。模型長寬高尺寸分別為：90 m(L)×10 m(W)×80 m(H)，根據(jù)圣維南原理，模型邊界取隧道半徑的3～5倍以上，便可忽略邊界效應(yīng)對隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。數(shù)值模型如圖3所示，防水板切割襯砌混凝土側(cè)面如圖4所示，數(shù)值模型套襯加固結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 三維數(shù)值模型

圖4 防水板切割襯砌側(cè)面圖

圖5 套襯加固

4.3 計算參數(shù)

本計算所涉及到隧道結(jié)構(gòu)混凝土及套襯混凝土參數(shù)取值見表1和表2。

4.4 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

選取襯砌左偏拱頂缺陷部位，對該部位進行局部研究，分析該部位在這3個階段下，襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況，從而驗證套襯加固方案的合理性，具體的最大與最小主應(yīng)力云圖如圖6～圖8所示。

表1 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

表2 圍巖計算參數(shù)

圖6 防水板切割混凝土?xí)r襯砌應(yīng)力云圖

圖7 開窗修補后襯砌應(yīng)力云圖

圖8 套襯加固后襯砌應(yīng)力云圖

對3個階段下襯砌結(jié)構(gòu)局部的最大與最小主應(yīng)力進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表3所示。

表3 襯砌最大與最小主應(yīng)力統(tǒng)計表 單位：MPa

由圖6～圖8、表3可知，防水板切割混凝土后襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力為0.63 MPa(受拉)，且出現(xiàn)在防水板切割部位，最小主應(yīng)力為-0.583 MPa(受壓)；開窗修補后，結(jié)構(gòu)的最大與最小主應(yīng)力分別為0.046 MPa(受拉)，-0.181 MPa(受壓)；在施作套襯后，襯砌結(jié)構(gòu)的大小主應(yīng)力分別為0.027 MPa(受拉)、-0.037 MPa(受壓)。

相比于防水板切割，套襯加固后襯砌結(jié)構(gòu)的最大與最小主應(yīng)力均在大幅減小，而與開窗修補后結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力相比，套襯加固能有效減小結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力，最大主應(yīng)力變化不大，即施作套襯后能有效提高結(jié)構(gòu)的安全儲備能力。

由表3可知：①襯砌及套襯結(jié)構(gòu)的最大與最小主應(yīng)力在以上三個施工階段下均滿足C30和C40混凝土抗拉和抗壓強度設(shè)計值；②相比于襯砌切割混凝土?xí)r，開窗修補后襯砌結(jié)構(gòu)的最大與最小主應(yīng)力均有所減??；而在套襯加固后，襯砌結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力有明顯減小，最大主應(yīng)力相比于開窗修補后略微增加。說明施作套襯能提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲備能力。同時也驗證了套襯加固方案在修補防水板切割混凝土?xí)r具有一定效果。

5 結(jié)論

經(jīng)過數(shù)值計算可以得到結(jié)論：

(1)防水板切割襯砌混凝土?xí)r，結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力會增大，說明結(jié)構(gòu)整體的承載能力會減弱，結(jié)構(gòu)劣化的可能性會增大，整個結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患。

(2)套襯加固對結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性有明顯提高，且能有效保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲備能力。驗證了套襯加固方案在整治防水板切割混凝土?xí)r具有一定效果和實際意義。

(3)套襯修補加固若按照加固方案進行施工組織，能高效地消除防水板切割等質(zhì)量缺陷帶來的運營安全隱患。同時套襯修補加固方案能有效提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，保證結(jié)構(gòu)與列車行駛的安全。