波紋鋼板用于隧道襯砌加固技術(shù)要點探索

張詩劍

（福建省南平市公路局，福建 南平 353000）

近兩年，隨著普通國省干線公路隧道提質(zhì)升級改造工程的推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)越來越多的隧道存在襯砌脫空和襯砌厚度不足等缺陷，車輛的運(yùn)營安全存在很大隱患，而對隧道進(jìn)行加固是防止隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞的有效方法。針對目前隧道襯砌結(jié)構(gòu)類型的病害，國內(nèi)許多學(xué)者提出了不同類型的加固方案，如：通過增加厚度的方法補(bǔ)強(qiáng)襯砌、嵌入型鋼作為環(huán)向鋼拱架進(jìn)行加固、粘貼鋼板、粘貼復(fù)合纖維材料等，這些方法在加固改造施工工期、實施效果、工程造價等方面各有利弊。本文主要針對隧道襯砌脫空及厚度不足這一組合病害，以某隧道工程為背景，從施工工期、實施效果、經(jīng)濟(jì)性和交通組織等方面對各方案進(jìn)行對比，為類似工程提供參考。

1 工程背景

文章涉及的隧道位于福建省南平市普通國道內(nèi)，建設(shè)位置圍巖地質(zhì)較好，多為Ⅲ級及以上圍巖。該隧道為單洞雙向兩車道，隧道全長1 318m，寬10m。在隧道提升改造檢測中發(fā)現(xiàn)該隧道局部襯砌厚度不足、脫空缺陷嚴(yán)重，經(jīng)過雷達(dá)加密專項檢測顯示，隧道拱頂最大脫空深度0.5m，縱向長度2.5m，環(huán)向長度2m，脫空位置襯砌最小厚度為6cm。缺陷實體檢測情況如圖1所示。

圖1 隧道襯砌脫空實體檢測圖

2 隧道病害成因及加固方案

2.1 襯砌病害原因分析

根據(jù)檢測單位提供的檢測數(shù)據(jù)顯示，該隧道邊墻部位厚度基本滿足設(shè)計要求，脫空缺陷位于拱頂處。由于該隧道建設(shè)于上世紀(jì)90年代，建設(shè)時期較早且設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，受當(dāng)時落后的施工工藝和施工水平限制，未能及時對超挖部分進(jìn)行回填和處理。

2.2 襯砌病害結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)檢測結(jié)果顯示，該隧道大脫空和厚度不足缺陷處于Ⅱ級圍巖地段。本文選取襯砌實測厚度最小的6cm部位斷面進(jìn)行分析，按襯砌設(shè)計厚度和實測厚度分別計算。圍巖參數(shù)及襯砌厚度見表1、表2。

表1 圍巖參數(shù)表

表2 襯砌厚度表

本次計算采用結(jié)構(gòu)荷載法隧道襯砌程序，把隧道襯砌轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析，二襯結(jié)構(gòu)分散成若干梁單元模擬，單元與單元之間通過節(jié)點聯(lián)結(jié)接成承載結(jié)構(gòu)。二襯的荷載主要是圍巖壓力和結(jié)構(gòu)自重，圍巖對二襯的作用采用受壓型彈簧模擬。計算結(jié)果和模型如圖2、圖3所示。

通過模型數(shù)據(jù)提取最不利位置軸力和彎矩并計算相應(yīng)安全系數(shù)（見表3）。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖

表3 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果對比表

計算結(jié)果表明，雖然病害位置段落圍巖較好、等級較高，襯砌承受的圍巖壓力也較小，但由于局部襯砌厚度不足導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)功能減弱，很大程度上降低了襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全儲備，在車輛動荷載作用下極易引起襯砌剝落而影響隧道的運(yùn)營安全，因此，需針對襯砌病害部位采取有效的加固措施。

2.3 加固方案比選

2.3.1 襯砌厚度不足常用處治措施

針對隧道襯砌厚度不足、大脫空等缺陷常采用的襯砌加固措施有：套拱加固、噴射混凝土加固、粘貼纖維復(fù)合材料加固、波紋鋼板加固、粘貼鋼帶加固、嵌入鋼拱架加固等。

2.3.2 加固方案比選

因本文涉及的隧道位于普通國道上，是境內(nèi)的主要通道，過往車輛多，故采取的加固方案應(yīng)便于實施、施工周期短且對交通影響最小。選取襯砌拆換加固、套拱加固、波紋鋼帶加固等三種方案進(jìn)行對比（見表4），各方案簡述如下：

（1）襯砌拆換加固方案。該方案主要針對缺陷位置襯砌進(jìn)行整環(huán)拆換，考慮隧道整體安全，在拆除前先采用型鋼結(jié)構(gòu)支撐，對臨近襯砌進(jìn)行臨時加固處理；拆除完成后按原設(shè)計襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行恢復(fù)，并做好與相鄰襯砌之間的連接。該方案能徹底根治隧道襯砌缺陷，拆換后襯砌的結(jié)構(gòu)安全度最高。

（2）套拱加固方案。該方案主要針對缺陷位置進(jìn)行套拱加固，采用模筑自密實混凝土，套拱厚度根據(jù)規(guī)范要求選取最小厚度為20cm。該方案能提高缺陷位置襯砌結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，加固后能解決因缺陷帶來的安全隱患，加固效果好。

表4 加固方案對比一覽表

（3）波紋鋼帶加固方案。該方案主要針對缺陷位置襯砌采用波紋鋼板加固，波紋鋼板加固前應(yīng)清理襯砌表面，待基座完成后逐片安裝波紋鋼板，并采用C40灌漿料填充波紋鋼板與既有襯砌之間的間隙。該方案能有效提高襯砌結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，加固后能解決因缺陷帶來的安全隱患，加固效果好。

2.4 加固方案確定并實施

根據(jù)表4從加固效果、施工風(fēng)險、施工難易、施工周期和造價等方面綜合對比，雖然襯砌拆換加固效果最好，但是造價高、施工工期最長；套拱加固方案加固效果和工期造價均處于中間值，但加固后會侵占既有行車限界；通過對上述方案比較并結(jié)合該隧道的實際運(yùn)營情況，本次加固方案采用波紋鋼板套襯加固。加固采用的波紋鋼板選取Q235鍍鋅鋼材，波形尺寸為200mm×50mm×6mm(長×高×厚)。套襯結(jié)構(gòu)由標(biāo)準(zhǔn)波紋鋼板拼裝而成，每環(huán)套襯由5個標(biāo)準(zhǔn)板片組成，各板片之間通過法蘭和M16高強(qiáng)螺栓連接，拼裝時粘貼橡膠密封條，保證各板片之間密封良好。波形鋼板與既有襯砌間設(shè)置1cm厚橡膠墊塊，墊塊間距為40cm（縱向）×100cm（環(huán)向），安裝完鋼板后通過預(yù)留注漿孔注入C40灌漿料。方案如圖4、圖5所示。

圖4 波紋鋼帶處治立面示意圖

圖5 波紋鋼帶大樣圖

3 加固效果

孫潤芳在《埋置式波紋鋼-混凝土結(jié)構(gòu)中波紋鋼的承載增強(qiáng)作用研究》中提出了波紋鋼帶-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的計算方法。本文參照該計算方法計算加固段落，將既有襯砌自重和脫空填充物自重作為外加荷載加至波紋鋼板-混凝土構(gòu)造上進(jìn)行計算。計算模型如圖6、圖7所示。

圖6 二襯軸力圖（單位：kN）

圖7 二襯彎矩圖（單位：kN·m）

根據(jù)計算數(shù)據(jù)，提取相應(yīng)最不利位置軸力和彎矩并計算相應(yīng)安全系數(shù)（見表5）。

表5 加固后襯砌計算一覽表

根據(jù)表5顯示，波紋鋼板加固措施增大了襯砌截面尺寸，波紋鋼板在提高襯砌剛度的同時增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗拉能力，對襯砌結(jié)構(gòu)承載能力和安全儲備提升顯著。該項目實施完成耗時28d，且加固后經(jīng)過近兩年的運(yùn)營未出現(xiàn)外觀缺陷和新增病害，加固效果良好，如圖8所示。

圖8 波紋鋼板加固效果圖

4 結(jié)語

綜上所述，隧道襯砌厚度不足和脫空病害治理難度大、造價高，若施工隊伍專業(yè)化程度低、設(shè)備簡易，則處治效果難以保證。南平某國道隧道提質(zhì)升級加固工程提供了一種行之有效的隧道襯砌厚度不足、脫空加固處治方案，具有便捷、迅速、可操作性強(qiáng)的特點，可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制拼裝、不中斷交通，且經(jīng)濟(jì)合理、效果可靠，有效提升了隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載能力和安全儲備，確保了隧道行車安全，為同類工程提供了很好借鑒。