衬砌植锚栓网喷混凝土加固技术研究_桂滨.pdf

公路 年月第期 文章编号：（）中图分类号：文献标识码：衬砌植锚栓网喷混凝土加固技术研究桂滨，陈泽，蒋楠，杨玉民（中交基础设施养护集团有限公司北京市 ；武汉二航路桥特种工程有限责任公司武汉市 ；公路与桥梁高效养护及安全耐久国家工程研究中心武汉市 ；中国地质大学（武汉）工程学院武汉市 ）摘要：以武山隧道为依托工程，针对衬砌厚度略欠、裂损中等的段落，提出采用衬砌植锚栓网喷钢纤维混凝土的方式进行加固治理，结合武山隧道的地质背景，利用有限元数值软件分析了加固前后隧道复合式衬砌的受力特征，并引入隧道设计规范中的安全系数作为评判标准，分析了该加固方式在隧道断面不同位置不同应力类型的加固效果，为武山隧道安全性设计提供指导。关键词：隧道工程；隧道病害；衬砌加固；安全系数交通建设的快速发展使得隧道工程的应用日益广泛，受到运营时间长、早期设计技术水平有限等因素的影响，许多隧道开始出现裂缝、空洞、剥落、渗水等情况，这种病害情况不仅严重影响了隧道的安全稳定性及使用寿命，还会提高出现运营期安全事故的可能性。年月，万山寺隧道、兴安岭隧道、清凉山隧道相继因衬砌掉落发生交通事故。年月 日，美国马萨诸塞州的一条隧道也同样发生了顶部混凝土块掉落的情况。截止到 年底，中国公路总里程达到 万，其中公路养护里 程 达 到 万，占 公 路 总 里 程 比 重 。因此，维护已建隧道的安全稳定性，并针对已存在病害情况的 隧 道进 行加 固 治 理 具 有 重 要意义。目前，应用于隧道衬砌维护的加固措施有很多，境内外许多学者针对隧道衬砌病害加固措施和效果评价进行了大量相关研究。霍润科等提出碳纤维筋补强加固方式，利用 对隧道衬砌不同位置加固效果进行计算分析，为现场施工提供指导。柳献等基于试验分析，发现钢板混凝土组合结构加固盾构隧道衬砌结构不仅可以有效提高衬砌的抗裂性能以及耐久性，还可有效降低钢材消耗量（相比于内张钢圈加固法）。房士波以浙赣铁路周里冲隧道为工程背景，集中分析了隧道衬砌的病害情况，并引入注浆锚杆、钢带以及喷射钢纤维混凝土等加固技术，取得了很好的加固效果。蒋宇静等 利用纤维增强聚合物水泥砂浆基复合材料对隧道衬砌进行加固，通过有限元软件进行数值计算分析，发现该加固方法能有效增强衬砌的刚度与强度，并在此基础上进一步提出新的量化指标（断面修复率）来评价加固效果。刘德军等 为解决常规加固方式无法有效提高衬砌内表面强度的问题，提出使用纤维编织网增强混凝土进行隧道衬砌加固，借助数值模拟方法分析了该方法的加固效果。本文基于武山隧道中存在的典型病害情况，采用衬砌植锚栓网喷钢纤维混凝土方式进行加固处置，利用 有限元数值软件对加固前后隧道衬砌的受力特征进行对比分析，结合收稿日期：吴凤亮，李家林，刘兆权 超大型沉管隧道可逆式主动止水楔形接头的研发建造 中国港湾建设，（）：林鸣，林巍，刘晓东，等 整体式主动止水最终接头技术及其与沉管管节的一体化中国港湾建设，（）：胡健中，王勇，徐国平 沉管隧道国产化 止水带试验研究及选型设计 现代隧道技术，（）：陈聪 港珠澳大桥沉管最终接头临时主动防水系统中型止水带的应用公路，（）：隧道设计规范的要求，分析加固前后隧道衬砌的安全系数，进而分析衬砌植锚栓网喷钢纤维混凝土的加固效果。相关研究结果可为武山隧道加固设计提供有效地指导。工程背景及加固措施 工程背景武山隧道位于甘肃省天水市（图），共分上下行四车 道 双 洞 通 过，全 长 ，最 大 埋 深 为 ，隧道所处工程地质条件比较复杂，处于构造剥蚀沉积岩低中山区，属于岩石山岭深埋长隧道。武山隧道主要存在衬砌裂损严重、衬砌背后脱空以及混凝土层厚度不足等病害情况。图武山隧道隧道断面为马蹄形，其尺寸为 ，衬砌采用复合式衬砌结构，初期支护结构采用锚喷支护，其中喷射 混凝土层厚度为 ，砂浆锚杆长 ，直径 ，钢筋 网 直径 ，间距 。钢拱架间距 ，直径。在二次衬砌结构中，钢筋混凝土层厚度为 ，为 ，内部钢筋横纵间距为 ，直径。衬砌结构见图。加固措施介绍在武山隧道病害维修处治技术方案中，主要遵循“安全、科学、谨慎、施工便捷”的原则。在整治衬砌裂损病害之前，首先要消灭己有的衬砌裂损对结构及运营的一切危害，并防止裂损扩大。其次是采取以稳固围岩为主，稳固岩体与加固村砌相结合的综合治理措施。针对衬砌厚度略欠、裂损中等的段落，该工程主要采用衬砌植锚栓挂网喷射钢纤维混凝土加固。该加固方式主要采用 特殊倒锥形单位：图衬砌结构示意黏结型锚栓与原有衬砌进行锚固，有效锚固深度大于 ，外露长度不小于，间距 （环）（纵）。外挂 钢筋网，间距 。喷射网喷钢钎维混凝土，钢纤维掺量体积率为，混凝土材料为 ，厚度约 。其加固支护设计如图所示。单位：图衬砌植锚栓网喷钢纤维混凝土加固断面根据现场情况及施工设计其具体处置方式及步骤如下。（）对加固段落按 间距进行内轮廓施工复测，对于套拱加固在路线平曲线段落内，按 间距加密轮廓复测，保证加固空间，尤其是对隧道左右拱腰位置进行核查，防止加固后侵入隧道建筑限界，存在空间不足时，可适当凿除原二次衬砌结构。一次凿除长度不得大于，且厚度不得大于原厚度 公路 年第期 年第期桂滨等：衬砌植锚栓网喷混凝土加固技术研究的，对于多凿除的部分，采用聚合物砂浆修补。对原二衬裂缝进行修补，对衬砌渗漏水进行处治，对衬砌背后脱空回填处治，遵循“先治理后加固”的原则。对于边墙局部部位存在厚度过薄容易劈裂的情况，应进行局部置换。（）机械凿毛锚固区混凝土衬砌，凿毛厚度为，涂刷或喷涂界面剂，界面剂采用型指标要求。（）采用特殊倒锥形黏结型锚栓锚固，材料采用不锈钢锚栓，锚栓采用公称直径，要求有效锚固深度 不小于 ，锚 栓 外 漏 长 度 不 小 于（与钢筋网有效连接），锚栓间 距 梅花型布置。锚栓最小边距应大于 倍有效锚固深度，临界边距应大于 倍有效锚固深度，群锚最小间距应大于 倍有效锚固深度，临界边距应大于 倍有效锚固深度。当锚固区位于钢筋混凝土衬砌段落时，其间距可根据实际情况进行调整，但是其间距、边距必须满足相关规范要求。（）待锚栓完成并经过验收合格后，挂设 钢筋网，钢筋网片间距 ，钢筋网与锚栓采用铁丝交叉绑扎牢固或点焊牢固，钢筋网片搭接时，在搭接区域设置 型卡具固定牢固。数值模型介绍 加固前后隧道数值模型结合隧道支护设计方案以及隧道病害处治设计方案，利用 建立加固前后的有限元数值模型，分析地应力作用下隧道支护结构的力学特征。考虑到应力在模型中的传播特性，岩体尺寸应不小于倍隧道洞径，故整体数值模型宽度及高度均取，隧道长度方向取。加固前后的整体数值模型见图。由于衬砌植锚栓挂网喷射钢纤维混凝土加固针对衬砌厚度略欠的段落，因此在建模时将加固前衬砌厚度适当减小，最后得到初期支护 混凝土层厚为 ，二次衬砌 混凝土层厚为 。在整体模型中，岩体、混凝土层均采用 单元，而钢筋网、钢拱架、锚杆及锚栓采用 单元。在加固前模型中，初期支护层的锚杆长 ，直径，钢筋网直径，间距 。钢拱架间距 ，直径，而二衬内部钢筋横纵分布为 ，直径。在加固后模型中，除去加固前模型中的复合式衬砌结构，在隧道内部施图武山隧道数值模型加一层 厚的喷射钢纤维混凝土，其中混凝土材料为 ，钢纤维掺量体积率为，加固层内部分布有间距为 的钢筋网以及间距为 的锚栓，其直径均为。支护结构建模细节见图。图武山隧道数值模型由于武山隧道属于深埋隧道，因此本文主要考虑深埋条件下的地应力作用。针对深埋隧道所受到的垂直均布压力及水平均布压力，公路隧道设计规范 第一册 土建工程（）给出了具体的计算方法。在不产生显著偏压及膨胀力的围岩条件下，垂直分布压力可按式（）计算。（）（）式中：为垂直均布压力，；为围岩重度，；为围岩压力计算高度，；为围岩级别；为宽度影响系数，可由式（）计算得到。（）（）式中：为隧道宽度，；为隧道宽度每增减时的围岩压力增减率，按表取值，由武山隧道设计资料可知，。表围岩压力增减率取值隧道宽度 围岩压力增减率 考虑施工过程分导洞开挖 上下台阶法或一次性开挖 在深埋条件下，隧道受到的水平围岩压力与垂直围岩压力存在一定程度上的联系，具体见表。由于该支护结构处于级围岩中，故本次试验中取水平均布压力 。表深埋隧道水平均布压力围岩级别、水平均布压力 （）（）基于武山隧道地质条件，计算得到垂直分布压力为 ，水平分布压力为 。将该应力约束分别施加在整体模型的上部边界和左右两侧边界，在其余边界施加反向约束，如图所示。图荷载及约束施加示意 材料参数由于计算过程中主要考虑在原始地应力作用下加固前后衬砌的受力状态，即不考虑大变形的影响，故所有材料均选择随动硬化模型 ，该本构模型关系式如式（）所示。（）（）（）式中：为初始屈服强度；为应变率；为有效塑性应变；、为应变率参数；为硬化参数；为塑性硬化模量；表示切线模量；表示弹性模量。根据现场资料和试验测试，上述材料计算参数如表所示。表数值计算模型材料参数表材料密度 弹性模量 泊松比黏聚力 内摩擦角（）粉质黏土 钢筋网 钢拱架 锚杆 钢纤维混凝土 加固钢筋网 加固锚栓 计算结果分析 初期支护结构受力分析初期支护结构主要由骨架及混凝土层组成，其中骨架由锚杆、钢拱架以及钢筋网组成。选取加固前后模型同一断面的骨架单元轴力云图，结果如图所示。不管是加固前模型，还是加固后模型，位于拱顶处的锚杆所受轴力要大于其余位置的锚杆，而位于拱脚处的钢筋网及钢拱架所受轴力要大于其余位置的钢筋网及钢拱架。加固前初期支护骨架单元受到最大轴力为 ，而加固后最大轴力为 ，相比于加固前，初支骨架受力减小了 。加固前后初期支护喷射混凝土层第一主应力变化如图所示。分析图可知，喷射混凝土层受力分布规律为拱脚拱腰拱肩拱顶，加固前最大主应力为 ，在拱脚外部位置，加固后最大主应力减小至 。为了更直观地反映加固前后隧道初期支护混凝土层断面的应力分布，统计模型右侧受到的应力值，如图所示。由图 公路 年第期 年第期桂滨等：衬砌植锚栓网喷混凝土加固技术研究图加固前后初支骨架受力变化对比分析可知，加固后沿隧道初期支护喷射混凝土各部位的最大主应力值明显减小，其中拱顶和拱脚处加固效果较明显，加固后主应力比加固前分别减小 、。图加固前后隧道喷射混凝土受力变化对比 二衬结构受力分析二衬结构主要由钢筋网及混凝土层组成。选取图初期支护喷射混凝土加固前后受力分析加固前后模型同一断面的骨架单元轴力云图，结果如图 所示。分析图 可知，不管是加固前模型，还是加固后模型，位于拱脚及拱顶处的钢筋网所受轴力要大于其余位置的钢筋网。加固前二衬钢筋网单元受到最大轴力为 ，而加固后最大轴力为 ，相比于加固前，钢筋网受力减小了 。图 加固前后隧道二衬钢筋骨架受力变化对比在复合式支护结构中，二次衬砌起到的支护作用往往是最大的，其安全稳定性也是最重要的，统计加固前后二衬结构喷射混凝土层第一主应力变化，如图 所示。分析图 可知，二衬结构的喷射混凝土层受力分布规律为拱脚拱腰拱肩拱顶，与初支结构保持一致，在加固前模型中，最大主应力为 ，发生在拱脚外部位置，而在加固后模型中，最大主应力减小至 。为了更直观地反映加固前后隧道二衬混凝土层断面的应力分布，统计模型右侧受到的应力值，如图 所示。由图 分析可知，加固后喷射混凝土各部位的最大主应力的值明显减小，其中拱顶和拱脚处加固效果较 明 显，加 固 后 主 应 力 比 加 固 前 分 别 减 小 、。图 加固前后隧道二衬混凝土受力变化对比图 二次衬砌混凝土加固前后受力分析加固效果分析 加固效果评价方法隧道安全稳定性的合理评价不仅可以有效预防隧道安全事故，还能作为工程质量的评判标准。公路隧道设计规范（）以及 铁路隧道设计规范（）采用安全系数作为衡量隧道衬砌稳定性的评价指标，根据混凝土的不同破坏方式，安全系数也被分为压应力安全系数、拉应力安全系数以及剪应力安全系数三类，并根据式（）（）计算得到。（）（）（）式中：为混凝土或砌体的抗压极限强度，其中 为 ；为安全系数；为轴向压力，；为轴向拉力，；为截面的宽度，；为截面的厚度，；为构件的纵向弯曲系数，取；为轴向力的偏心影响系数，其中因为偏心距为，所以取；为混凝土的抗拉极限强度，其中 为；为截面偏