黨曉宇

（甘肅天成道橋勘察設計有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來，我國公路隧道數量越來越多，一部分隧道已進入加固維修期。隧道建成后，隨著運用時間的增長，襯砌裂縫、滲水等病害時有發(fā)生，嚴重影響著隧道行車安全和正常運營。快速安全有效地處治隧道襯砌裂縫病害，確保隧道襯砌安全穩(wěn)定，已變得尤為迫切[1-3]。本文主要依托甘肅地區(qū)秦州隧道洞內襯砌裂縫病害處治工程，利用數值模擬分析，計算分析鋼板加固方案對提高隧道襯砌安全性的效果，研究W型鋼帶加固方案的可操作性。

1 隧道概況

1.1 隧道病害現狀

隧道位于甘肅省天水市關子鎮(zhèn)西北邊，分上下行四車道雙洞通過，隧道全長4610m（雙洞），最大埋深184m，縱坡為+2.5%和-2.18%，屬巖石山嶺深埋特長隧道。根據隧道病害檢測資料，該隧道典型病害主要為二襯縱、環(huán)向裂縫，主要分布在兩側邊墻。

1.2 隧道地質環(huán)境

（1）地形地貌。該隧道地處隴西、隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)，黃土梁峁起伏，溝壑縱橫，地勢由西南向東北傾斜。擬建路線地貌可劃分為黃土堆積侵蝕梁峁地貌、黃土堆積侵蝕長梁地貌和河谷平原地貌，其中以河谷平原地貌為主。

（2）地質水文。項目位于甘肅中西部的黃土高原，泥石流沖溝普遍比較發(fā)育，幾乎沒有植被，存在嚴重的水土流失，地面表層幾乎為黃土層。路基填料多用黃土，部分路段濕陷性黃土發(fā)生沉陷。隧道位于隴西系旋卷構造和北西西向構造，即祁、呂、賀山字型構造前弧西翼東段的復合部位，地質構造比較復雜。沿線大部分為河谷線，地表水及地下水均較發(fā)育，唯黃土高原區(qū)由于降水量小，垂直補給少，黃土含水性差，因而地下水分布較小。地下水含水類型可分為兩大類：河谷平原潛水，黃土丘陵潛水。項目區(qū)內河流屬黃河主要支流，有渭河水系和祖歷河水系。主要河流有耤河、渭河、關川河。

（3）氣候。隧址區(qū)沿線按公路自然區(qū)劃為Ⅴ1區(qū)（秦巴山地潤濕區(qū)），屬暖溫帶亞濕潤氣候，降水集中。沿線年平均氣溫10.8～12.9℃，最熱月平均氣溫23.1～30.8℃，最冷月平均氣溫-0.3～0.5℃；極端最高氣溫：32.8℃，極端最低氣溫：-17.4℃；平均相對濕度68%；年平均降水量400～600mm；一次最大降雨量88.1～169.7mm。

（4）地震活動。本項目公路沿線的地震動峰值加速度0.15～0.30g，地震反應譜特征周期為0.40～0.45，相當于地震烈度Ⅷ度。公路工程構造物應采取提高一級抗震設防措施。

2 加固方案的實施

根據二次襯砌病害情況，在二次襯砌結構整體穩(wěn)定的前提下，為保證襯砌結構安全儲備，對二次襯砌采用W型鋼帶加固（見圖1所示），其環(huán)向受力條帶采用寬20cm，長1.5m的W型鋼帶，鋼帶厚度為5mm，搭接20cm，縱向間距為50cm。加固方案涉及多個環(huán)節(jié)，具體分述如下。

圖1 隧道W型鋼帶加固示意圖

2.1 粘接鋼帶

利用特種結構粘鋼膠將加工好的W型鋼帶與隧道混凝土襯砌粘接，W型鋼帶縱向搭接長度不小于20cm，搭接處W型鋼帶在用粘鋼膠粘貼后，還需用高強膨脹螺栓連接。搭接位置盡量避免選在襯砌有裂縫處，以確保加固效果；W型鋼帶環(huán)形向搭接長度也不小于20cm，搭接處W型鋼帶在用粘鋼膠粘貼后，用高強膨脹螺栓連接。搭接位置盡量選在襯砌無損傷破壞處，確保加固后隧道襯砌整體安全穩(wěn)定，為后期隧道行車提供安全保障。

2.2 鋼帶表面防腐處理

在W型鋼帶加固完畢后，應按照公路隧道加固等相關規(guī)范對加固效果進行檢測，并檢查W型鋼帶加固施工質量，在確保加固質量合格后，對鋼帶表面噴刷防腐漆和涂刷裝飾層，確保鋼帶美觀抗腐。

2.3 W型鋼帶安裝施工流程

（1）粘貼表面預處理：為了提高鋼帶和隧道襯砌的緊密貼合力，防止脫空，確保鋼帶加固效果，在加固前對鋼帶和襯砌表面進行清潔處理，對于混凝土襯砌表面不平整的應用打磨機進行磨平處理，確保表面能夠與鋼帶無縫粘貼。

（2）鋼粘膠調試：為了確保結構鋼粘膠粘貼效果，一次調膠量不宜過大，一般控制在8～9kg內，且每次調試必須確保鋼粘膠攪拌均勻，在每次正式加固前必須進行粘貼試驗以確保加固效果。

（3）W型鋼帶縱向、環(huán)向搭接長度不小于20cm，搭接處W型鋼帶在用粘鋼膠粘貼后，還需用高強膨脹螺栓連接。搭接位置盡量避免選在襯砌有裂縫處，以確保加固效果，使鋼帶融入襯砌結構中整體受力，確保隧道結構安全穩(wěn)定。

2.4 高強膨脹螺栓安裝流程

（1）鋼帶開孔：高強膨脹螺栓安裝時，需在W型鋼帶上提前打孔，相鄰鉆孔間距為70cm。

（2）鋼帶安裝過程中注膠，安裝螺栓：注膠管插至孔底注入粘鋼膠，隨著膠體的注入緩慢勻速拔出注膠管，接著將高強螺栓迅速插入孔中，為了確保連接效果，螺栓盡可能多地插入鉆孔中。

（3）應實時監(jiān)測高強螺栓抗拔力，在確認其達到100kN后，將鋼粘膠涂抹在螺母附近，對螺栓進一步固定，以確保螺栓連接效果，確保隧道行車安全。

2.5 加強量測

在隧道加固過程中，應對圍巖和支護進行量測，必測項目：結構病害狀況觀察，周邊位移，拱頂下沉。對于現場檢測的實時數據應及時反饋給設計方，根據監(jiān)測數據反應的圍巖穩(wěn)定情況實時調整加固方案，確保隧道加固過程安全。

現場測量人員應每天對量測數據資料進行整理，如發(fā)現隧道存在位移變化、裂縫展開、錯臺嚴重等現象，應及時采取有效的臨時支撐，保證隧道穩(wěn)定，并立即報告相關單位，研究和采取合理的處治方案。

2.6 加固注意事項

隧道加固實施前，應認真核對設計圖，重視各項施工準備工作，應認真核對隧道處治方案中隧道襯砌病害描述是否與現場一致。施工中應時刻注意隧道洞內外安全情況，并結合實際現場情況制定安全可行的施工組織方案，特別對于正常通行的隧道，應做好施工期間保通措施，對現場人員、設備加強管理。

3 W型鋼帶加固數值分析

針對上述加固處治方案，采用荷載結構法對其受力進行計算，并分析結構的應力應變。

3.1 計算參數

圍巖的物理力學參數是按地勘報告中各級圍巖的物理力學參數標準值選取。支護結構的力學參數根據《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3307.1 —2018），結合工程及計算經驗選取[4-7]。其中鋼帶等效為二襯模筑混凝土，其彈性模量通過公式折算得到E=36.8GPa。容重通過公式 ：，折算得到γ=26.7kN/m3，計算模型材料參數如表1所示。

表1 計算模型參數

3.2 有限元模型

此次計算采用二維平面應變模型，計算斷面為Ⅴ級圍巖，埋深184m，屬于深埋隧道，有限元模型的半寬和半高大致取為洞寬和洞高的3～5 倍即可，本模型為橫向80m，豎向88m。為了簡化計算，在此平面模型中錨桿用圍巖加固區(qū)來模擬，并將鋼帶等效為二襯模筑混凝土。圍巖和圍巖加固區(qū)用平面單元模擬，初支和二襯（含鋼帶層）用梁單元模擬。對于模型邊界約束，上部邊界自由，左、右邊界受到水平約束，下部邊界受到豎向約束[8-10]。具體模型單元示意圖如圖2所示。

圖2 模型單元示意圖

3.3 結構內力及變形分析

計算所得結構最大豎向位移為1.05mm，發(fā)生在拱頂。二襯（含鋼帶層）的內力如圖3所示，二襯（含鋼帶層）的整個拱圈與邊墻均承受壓力，最大受壓軸力發(fā)生在兩側的拱腳處，數值為3.69MN；二襯（含鋼帶層）的最大正負彎矩均出現在拱腳處，最大正彎矩數值為388.9kN·m，最大負彎矩數值為-388.9kN·m。由此可看出，加固后的隧道結構位移、彎矩及應力均較小，并滿足《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3307.1 -2018）相關要求，因此可以認為W型鋼帶加固處治方案能夠很大程度提升結構穩(wěn)定性，符合規(guī)范相關要求。

圖3 襯砌結構內力圖

4 結束語

本文針對秦州隧道襯砌裂縫病害問題，在二次襯砌結構整體穩(wěn)定的前提下，為保證襯砌結構安全儲備，對二次襯砌采用W型鋼帶加固。基于加固方案，分析隧道襯砌的安全性，結論如下：

（1）隧道在正常荷載作用下二襯為承壓結構，最大受壓軸力、最大彎矩均出現在拱腳處，表明隧道應力集中位于隧道拱腳區(qū)域范圍，此處為隧道受力的薄弱位置，建議設計施工中加強對隧道拱腳的支護，確保隧道拱腳安全穩(wěn)定。

（2）鋼帶加固后的隧道結構位移、彎矩及應力均較小，滿足規(guī)范相關要求。因此可以認為W型鋼帶加固技術能夠很大程度提升隧道結構穩(wěn)定性，由于其占用空間小、加固效果良好、施工方便、經濟性好等優(yōu)勢，可以作為隧道襯砌裂縫處治的選擇，為以后隧道類似病害處治提供借鑒。