鋼帶支護(hù)系統(tǒng)在隧道襯砌加固工程中的應(yīng)用效果分析

孔 飚

(天津市地下鐵道集團(tuán) 天津市 300000)

0 引言

隧道襯砌背后存在空洞是隧道工程中經(jīng)常遇到的問題之一，空洞的存在會影響隧道的整體穩(wěn)定性。鋼帶支護(hù)系統(tǒng)作為一種新興的隧道支護(hù)方式，在加固隧道方面具有一定的優(yōu)勢。近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一系列研究，主要有：房士波[1]、呂敏等[2]結(jié)合浙贛鐵路周里沖隧道襯砌開裂加固實(shí)例，介紹了針對電氣化大斷面雙線隧道村砌開裂加固，通過采用注漿錨桿和W鋼帶以及噴射鋼纖維混凝土等新材料和新技術(shù)，取得了良好的整治效果；王定舉[3]、徐林生等[4]以朔黃鐵路寺鋪尖隧道為例，結(jié)合現(xiàn)場勘查以及無損檢測情況，對隧道襯砌開裂原因進(jìn)行了分析，提出采用“W鋼帶+鋼絲網(wǎng)+平鋼帶+錨桿”的聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行病害整治，通過工程類比并結(jié)合現(xiàn)場條件闡述了該加固方案的設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工藝以及施工注意事項(xiàng)，加固方案實(shí)施后取得良好整治效果。

以某工程為研究對象，重點(diǎn)分析了在隧道拱頂、拱腰和邊墻存在空洞，采用W鋼帶加固隧道時(shí)的作用和效果。

1 工程概述

某山嶺隧道工程全長978m，隧道最大跨度為11.4m，高度為10.2m，中心埋深約64m，研究區(qū)間內(nèi)主要圍巖級別為III級，工程區(qū)內(nèi)不考慮地表和地下水存在的影響。由于在本工程中經(jīng)常遇到空洞情況，擬采用幅寬為250mm、厚度為5mm的W鋼帶對隧道管片襯砌進(jìn)行環(huán)向處理，鋼帶縱向間距為1.0m。鋼帶使用時(shí)需要在襯砌與鋼帶之間涂刷膠黏劑，在膠黏劑的作用下可以使鋼帶與襯砌之間進(jìn)行粘結(jié)成為一體，之后再利用錨栓對鋼帶進(jìn)行固定處理，所采用的錨栓型號為M16化學(xué)螺栓，施工時(shí)螺栓的植入深度應(yīng)不小于16cm。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

如圖1所示，為采用有限元軟件ABAQUS建模得到的數(shù)值模型圖。建模時(shí)模型上表面即為地表，模型長、寬、高分別為60m、2m和100m，網(wǎng)格共計(jì)3862個(gè)，模型左右、前后邊界以及底部均進(jìn)行位移和邊界約束，土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。在研究區(qū)段內(nèi)主要土質(zhì)為III級圍巖，表1給出了圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。隧道最大跨度為11.4m，高度為10.2m，中心埋深為64m，土體采用實(shí)體單元，初期支護(hù)以及二次襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，初期支護(hù)采用鋼拱架和噴漿的處理方法，混凝土標(biāo)號為C25；二次襯砌采用鋼筋混凝土襯砌并與初期支護(hù)組成復(fù)合式襯砌，混凝土標(biāo)號為C35。為了簡化計(jì)算，初期支護(hù)以及二次襯砌的具體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。如圖2所示，為隧道襯砌及鋼帶示意圖。

圖1 數(shù)值模型圖

圖2 隧道襯砌及鋼帶示意圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

如圖3所示，共設(shè)置17個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 普通工況下W鋼帶加固分析

首先分析隧道襯砌背后不存在空洞情況，如圖4所示，為鋼帶加固前后位移對比曲線，由圖可知，采用W鋼帶加固之后，相比于未加固時(shí)，隧道左右邊墻以上部分襯砌豎向沉降明顯減小，其中對拱頂?shù)募庸绦Ч顬槊黠@，拱頂在加固前后的沉降分別為-27.8mm和-15.1mm，即加固后拱頂沉降減小了45.7%，加固效果明顯。

圖4 普通工況下鋼帶加固前后位移對比曲線

3.2 存在空洞工況下W鋼帶加固分析

在研究區(qū)段內(nèi)，主要存在如圖5所示的襯砌背后空洞形式，分別為拱頂背后空洞、拱腰背后空洞和邊墻背后空洞，空洞的大小均取20.5°。

圖5 三種空洞形式

3.2.1隧道拱頂存在空洞

如圖6所示，為隧道拱頂背后存在空洞時(shí)采用W鋼帶加固前后的隧道襯砌豎向位移云圖，由圖可知，在采用W鋼帶加固之后，隧道襯砌拱頂空洞處豎向位移明顯減小，并且從襯砌鋼帶到拱腰區(qū)域，采用W鋼帶加固之后，襯砌的豎向位移也明顯小于未采用加固措施時(shí)，因此，采用W鋼帶加固可以有效提高襯砌的承載能力，并可以改善隧道拱頂背后存在空洞這一問題。

如圖7所示，為W鋼帶加固前后拱頂背后存在空洞工況下鋼帶加固前后位移對比曲線，由圖可知，采用W鋼帶加固之后，相比于未加固時(shí)，隧道襯砌豎向沉降明顯減小，對于拱頂，在加固前后的沉降分別為-8.3mm和-2.5mm，即加固后拱頂沉降減小了69.9%，襯砌承載能力提升明顯。

圖6 隧道拱頂存在空洞時(shí)豎向位移云圖

圖7 拱頂存在空洞工況下鋼帶加固前后位移對比曲線

3.2.2隧道拱腰存在空洞

如圖8所示，為隧道拱腰背后存在空洞時(shí)采用W鋼帶加固前后的隧道襯砌豎向位移云圖，由圖可知，襯砌兩側(cè)沉降不對稱，左側(cè)略大，且在采用W鋼帶加固之后，隧道襯砌拱頂附近沉降減小，拱底隆起也減小，因此，采用W鋼帶加固可以有效提高襯砌的承載能力。

如圖9所示，為W鋼帶加固前后拱腰背后存在空洞工況下鋼帶加固前后位移對比曲線，由圖可知，采用W鋼帶加固之后，相比于未加固時(shí)，隧道在監(jiān)測點(diǎn)5～12范圍內(nèi)襯砌豎向沉降減小，對于拱頂沉降減小最為明顯，在加固前后的沉降分別為-24.6mm和-14.3mm，即加固后拱頂沉降減小了41.9%，襯砌承載能力提升明顯。

圖8 隧道拱腰存在空洞時(shí)豎向位移云圖

圖9 拱腰存在空洞工況下鋼帶加固前后位移對比曲線

3.2.3隧道邊墻存在空洞

如圖10所示，為隧道邊墻背后存在空洞時(shí)采用W鋼帶加固前后的隧道襯砌豎向位移云圖，由圖可知，在采用W鋼帶加固之后，隧道襯砌豎向位移明顯減小，包括拱頂沉降和拱底隆起均減小，因此，采用W鋼帶加固可以有效提高襯砌的承載能力，并可以改善隧道邊墻背后存在空洞這一問題。

圖10 隧道拱腰存在空洞時(shí)豎向位移云圖

如圖11所示，為W鋼帶加固前后邊墻背后存在空洞工況下鋼帶加固前后位移對比曲線，由圖可知，由于空洞的存在，邊墻空洞附近位移增大，采用W鋼帶加固之后，相比于未加固時(shí)，隧道襯砌豎向位移明顯減小，對于拱頂，在加固前后的沉降分別為-26.9mm和-14.7mm，即加固后拱頂沉降減小了45.4%，襯砌承載能力提升明顯。

4 結(jié)論

主要以某隧道工程為研究對象，在隧道拱頂、拱腰和邊墻存在空洞時(shí)，對采用W鋼帶加固隧道的效果進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

圖11 邊墻存在空洞工況下鋼帶加固前后位移對比曲線

采用W鋼帶加固之后，相比于未加固時(shí)，隧道襯砌豎向位移均減小，對于在隧道襯砌在拱頂、拱腰和邊墻后側(cè)存在空洞時(shí)，加固后拱頂沉降依次減小了69.9%、41.9%和45.4%，即W鋼帶對提升拱頂位置處襯砌承載能力的效果最為顯著。