隧道二次襯砌欠厚整治技術探究

李 科

(中國建筑第七工程局有限公司西南公司，重慶 400000)

近年來我國隧道建設取得長足發展，數量和里程不斷增加，截至2015年底，全國運營鐵路隧道13 411座、總里程13 038 km，運營公路隧道14 006座、總里程12 684 km[1]。然而，在隧道建設蓬勃發展的同時，難免產生病害現象[2-5]。二次襯砌厚度不足病害直接威脅隧道結構的可靠性，削弱襯砌結構整體強度及穩定性[6-8]。基于此，國內隧道領域專家紛紛采用數值模擬、理論分析及模型試驗等方法進行相關研究，如王夢恕等[9]采用數值分析對纖維布補強地鐵隧道結構進行了模擬；張頂立等[10]對不同圍巖級別條件下隧道襯砌背后的接觸狀態進行了分析；王士民等[11]采用室內模型試驗對隧道襯砌結構漸進性破壞機理進行了研究。本文在國內相關學者研究的基礎上，以某隧道為研究對象，對隧道二次襯砌厚度不足病害整治進行較為全面的論述，通過襯砌質量檢測，結合隧道相關設計及施工概況，基于相關規范規程，對左線和右線二次襯砌厚度不足病害進行對比整治分析，采用結構計算軟件對整治前后襯砌結構的受力進行模擬，得到其內力變化以驗證整治措施效果，進而為隧道病害整治提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道規模

某隧道主洞凈寬10.25 m、凈高5 m，設計通車速度80 km/h，設計荷載為公路I級。隧道規模如表1所示。

注：雙洞分離式隧道。

1.2 自然地質條件

隧址區位于甘孜州康定縣，屬四川盆地西緣山地，為盆地到青藏高原的過渡地帶。隧址區山脈縱橫，地表崎嶇，由于地殼抬升作用劇烈，遭到強勁的外力剝蝕，在冰川、流水、烈日等因素的作用下，山地切割強烈，形成復雜多樣的地貌類型。

隧址區大地構造上處于揚子地臺西緣次一級構造單元龍門山、大巴山臺緣斷褶帶之西南端，西鄰康滇地軸，東接四川臺拗，西北側相鄰松潘—甘孜地槽褶皺系。構造部位上處于NE向龍門山斷裂帶和NW向鮮水河斷裂帶及SN向安寧河斷裂帶構成的“Y”字形構造交匯部位東側，具體構造部位處于龍門山斷裂帶西南段內。主要地層為新生界第四系全新統崩坡積層塊石、第四系全新統泥石流堆積層塊石及元古界晉寧—澄江第四期斜長花崗巖。

隧址區地表水主要來自多條溝渠，溝內常年有水且水量較為充沛；地下水補給源主要為大氣降水和地表水直接或間接滲入補給。水文地質條件較簡單，除溝床漂石、塊卵礫石及水面下強風化基巖的含水性和透水性好、地下水豐富外，其余基巖和第四系土層含水性均較差，地下水不豐富。由于地形破碎、切割深度較大，地下水徑流途徑短、水交替循環快。

1.3 二次襯砌厚度不足病害整治范圍

根據隧道運營期間現場檢測結果，確定二次襯砌厚度不足病害整治范圍為左、右線全段。

2 二次襯砌厚度不足病害統計

分別于左右邊墻、左右拱腰及拱頂處在隧道左線及右線布置5條側線，采用地質雷達對二次襯砌厚度進行檢測。其中，左線每條測線檢測點為184個，右線每條測線檢測點為146個。典型現場檢測圖及地質雷達圖灰度圖如圖1所示。

圖1 現場檢測及地質雷達灰度圖Fig.1 On-site detection and geological radar grayscale map

對現場檢測結果進行數據分析，得到隧道橫斷面不同位置處二次襯砌厚度缺陷率，如圖2所示。

圖2 橫斷面不同位置處二次襯砌厚度缺陷率Fig.2 Defect rates of lining thickness atdifferent locations of cross section■—左線；●—右線

由圖2可知：在橫斷面不同位置上，拱頂處襯砌厚度缺陷率最大，由拱頂至拱腳，襯砌厚度缺陷率依次減小。拱腳及邊墻處襯砌厚度缺陷率遠低于拱頂及拱腰處，本研究只分析拱頂及拱腰處二次襯砌厚度在縱向里程上的變化，分別如圖3、圖4所示。

圖3 左線橫斷面不同位置處襯砌厚度差值在縱向里程上的變化Fig.3 Variations of lining thickness at different locations of cross section of the left line on the longitudinal mileage

圖4 右線橫斷面不同位置處襯砌厚度差值在縱向里程上的變化Fig.4 Variations of lining thickness at different locations of cross section of the right line on the longitudinal mileage

由圖3及圖4可知：拱頂相對拱腰、邊墻處二次襯砌厚度不足負差值占比例更大，襯砌的結構特性及模筑混凝土施工工藝使得拱頂處二次襯砌厚度不足病害最嚴重；橫斷面不同位置處二次襯砌厚度不足差值在縱向里程上的變化亦存在差別。

3 二次襯砌厚度不足病害整治

3.1 病害最嚴重斷面受力狀態

二次襯砌厚度不足會降低襯砌結構的承載能力，降低其強度和整體穩定性。隧道為高速公路隧道，若將厚度不足病害嚴重斷面處的二次襯砌結構全部打掉、拆除重建，不僅對隧道內交通的正常運行造成不利影響，而且會產生很大的經濟成本，若拆除不合理亦會對周邊襯砌結構造成破壞。

基于相關規范規程，采取如下措施對二次襯砌厚度病害進行整治：襯砌設計厚度與檢測厚度之差不小于10 cm段，采用套襯加固整治；二者厚度之差在5～10 cm段，采用鋼帶加固整治。分別選取上述2種整治措施下二次襯砌厚度不足差值相對設計厚度最大的斷面進行分析，仰拱和拱部厚度均為0.4 m，套襯加固及鋼帶加固整治斷面拱頂二次襯砌厚度分別為0.1、0.32 m。

隧道寬度為10.25 m，所取斷面處圍巖級別為IV級，覆土重度為γ=20 kN/m3，依據《JTG D70—2004 公路隧道設計規范》，求得IV級圍巖深埋隧道垂直均布壓力為q=109.8 kN/m3，水平均布壓力按最大取e=33.0 kN/m3。采用ANSYS對整治前上述斷面襯砌結構的受力進行模擬，隧道橫斷面共104個節點，編號1～104為仰拱中心經右拱腰至拱頂中心、再經左拱腰至仰拱中心。套襯加固及鋼帶加固整治前襯砌結構及其內力圖分別如圖5及圖6所示。

3.2 確定病害整治措施

3.2.1 套襯加固

整治措施流程如圖7所示。

同樣采用ANSYS對整治后上述斷面襯砌結構的受力進行模擬，得到整治前后內力變化。為便于計算，結構分析時采用如下假設：①認為圍巖為理想彈塑性材料；②認為鋼拱架與噴射混凝土、補強結構與原二次襯砌結構均黏接性良好，均作為一個整體共同承載、共同變形。補強結構的彈性模量計算：

式中，E為補強結構的彈性模量；E0為模筑混凝土彈性模量；Sc為模筑混凝土橫截面積；Eg為鋼架彈性模量；Sg為鋼架橫截面積。

圖5 套襯加固整治前襯砌結構內力Fig.5 Diagram of lining and its internal force before liner reinforcement

圖6 鋼帶加固整治前襯砌結構內力Fig.6 Diagram of lining and its internal force before steel strip reinforcement

圖7 整治流程Fig.7 Flow chart of treatments

由上式及上述相關數據，按線性內插原則，求得補強后襯砌彈性模量為37.7 GPa。對補強后襯砌結構的受力進行數值模擬，襯砌結構及其內力如圖8所示。

對套襯加固整治前后襯砌結構的內力及安全系數進行對比，如圖9所示。

3.2.2 鋼帶加固

鋼帶加固施工工序如圖10所示。

結構計算分析時認為鋼帶與原二次襯砌結構作為一個整體共同承載、共同變形；認為原二次襯砌混凝土外表面處彈性模量為28 GPa，鋼帶內表面處彈性模量為206 GPa。將單位長度上原二次襯砌混凝土和鋼帶視作單筋矩形截面梁，在圍巖壓力作用下受彎，將混凝土受壓區與受拉區交界處截面的彈性模量視為鋼帶與原二次襯砌整體支護結構的彈性模量。

根據線性內插原則，整體支護結構中心處的彈性模量為88.66 GPa。經計算分析、數值模擬，鋼帶加固后襯砌結構的內力如圖11所示。

對整治前后襯砌結構的內力進行對比，如圖12所示。

圖8 套襯加固整治后襯砌結構及其內力Fig.8 Diagram of linging and its internal force after liner reinforcement

圖9 套襯加固整治前后襯砌結構內力對比圖Fig.9 Collation map of internal force of linging before and after liner reinforcement■—套襯加固整治前；●—套襯加固整治后

圖10 鋼帶加固施工工序Fig.10 Construction procedure of steel belt reinforcement

4 結 論

(1)所有內力均在原基礎上有一定程度的增大，且內力曲線變化趨勢一致；但內力在隧道橫斷面不同位置變化幅度存在差異。

(2)彎矩在拱腳、拱腰及拱頂處增大明顯，在邊墻處增大較小，在仰拱及墻腳處無變化；軸力在仰拱、墻腳、邊墻及拱頂處增大明顯，在拱腰處基本無變化；剪力在邊墻、拱腳及拱腰處增大明顯，在仰拱、墻腳及拱頂處基本無變化。

(3)拱頂受壓區范圍擴大，這將十分利于襯砌結構的受力。

[1] 洪開榮.我國隧道及地下工程近兩年的發展與展望[J].隧道建設,2017(2):123-134.

Hong Kairong.Development and prospects of tunnels and underground works in China in recent two years[J].Tunnel Construction,2017(2):123-134.

[2] 袁 超,李樹忱,李術才,等.寒區老舊隧道病害特征及治理方法研究[J].巖石力學與工程學報,2011(S1):3354-3361.

Yuan Chao,Li Shuchen,Li Shucai,et al.Study of defects characteristics and repair methods of old tunnel in cold region[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011(S1):3354-3361.

[3] 馮冀蒙,仇文革,王玉鎖,等.既有隧道病害分布規律及圍巖環境等級劃分研究[J].現代隧道技術,2013(4):35-41.

圖11 鋼帶加固后襯砌結構內力Fig.11 Diagram internal force of linging after steel belt reinforcement

圖12 鋼帶加固前后襯砌結構內力對比Fig.12 Collation map of internal force of linging before and after steel belt reinforcement■—套襯加固整治前；●—套襯加固整治后

Feng Jimeng,Qiu Wenge,Wang Yusuo,et al.Study of defect distribution regularity in existing tunnels and the classification of tunnel environments[J].Modern Tunnelling Technology,2013(4):35-41.

[4] 張素磊,張頂立,劉勝春,等.基于對應分析模型的隧道襯砌病害主成因挖掘[J].中國鐵道科學,2012(2):54-58.

Zhang Sulei,Zhang Dingli,Liu Shengchun,et al.Discovering the main causes of tunnel lining damage based on correspondence analysis model[J].China Railway Science,2012(2):54-58.

[5] 高菊如,張 博,袁 瑋,等.既有線鐵路隧道病害綜合整治技術與設備配套研究[J].現代隧道技術,2013(6):24-31.

Gao Juru,Zhang Bo,Yuan Wei,et al.Study of comprehensive remediation solutions and corresponding equipment for existing railway tunnels[J].Modern Tunnelling Technology,2013(6):24-31.

[6] 張 旭,張成平,馮 崗,等.襯砌背后空洞影響下隧道結構裂損規律試驗研究[J].巖土工程學報,2017,39(6):1-8.

Zhang Xu,Zhang Chengping,Feng Gang,et al.Experimental studies on effect of voids behind tunnel linings on progressive failure process of tunnel structures[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2017,39(6):1-8.

[7] 佘 健,何 川.隧道二次襯砌病害通用處治方法研究[J].中國鐵道科學,2005(1):26-31.

She Jian,He Chuan.General treatment methods for secondary lining defect of tunnels[J].China Railway Science,2005,(1):26-31.

[8] 王 薇,趙 東,貴逢濤,等.滲漏水病害下鐵路隧道襯砌結構安全性研究[J].中國安全科學學報,2016(7):85-90.

Wang Wei,Zhao Dong,Gui Fengtao,et al.Research on safety of lining structure of railway tunnel with water leakage disease[J].China Safety Science Journal,2016(7):85-90.

[9] 李宇杰,王夢恕,徐會杰,等.纖維布補強地鐵隧道結構的數值分析[J].土木工程學報,2014(8):138-144.

Li Yujie,Wang Mengshu,Xu Huijie,et al.Numerical analysis of metro tunnel structure reinforced with fiber cloth material[J].China Civil Engineering Journal,2014(8):138-144.

[10] 張頂立,張素磊,房 倩,等.鐵路運營隧道襯砌背后接觸狀態及其分析[J].巖石力學與工程學報,2013(2):217-224.

Zhang Dingli,Zhang Sulei,Fang Qian,et al.Study of contact state behind tunnel lining in process of railway operation an its analysis[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013(2):217-224.

[11] 王士民,于清洋,彭 博,等.水下盾構隧道管片襯砌結構漸進性破壞機理模型試驗研究[J].土木工程學報,2016(4):111-120.

Wang Shimin,Yu Qingyang,Peng Bo,et al.A model test of the progressive failure mechanism of lining segments structure of underwater shield tunnels[J].China Civil Engineering Journal,2016(4):111-120.