馬道嶺隧道套拱加固設計及計算分析

李宇翔,田聽雨

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

隨著我國在役公路隧道里程及運營年限的不斷增長,隧道運營的安全性和舒適性受到社會各界的廣泛關注。文章以綏珠線馬道嶺隧道提質升級為背景[1],對隧道襯砌裂縫的產生機理及治理方案進行分析,并確定以“裂縫修補+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”的方案對襯砌開裂段進行加固處理[2-5]。

1 工程概況

馬道嶺隧道位于葫蘆島市建昌縣境內,按二級公路標準進行設計,為單洞雙向通行隧道,設計時速40km/h,2000年建成通車。隧道斷面采用曲墻式三心圓拱型結構。隧道全長458m,埋深0～100m,隧址山體構造簡單,以中風化帶和微風化白云巖為主。原設計中洞身大部分處于微風化白云巖中,但節理裂隙發育;區內匯水面積不大,地下水類型為基巖裂隙潛水,受大氣降水補給,儲水條件差,易于排泄。

隧道按照新奧法原理建設,暗洞采用復合式襯砌,初期支護采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網形式,二次襯砌采用模筑混凝土,初期支護與二次襯砌之間設防排水夾層。

2 主要病害

2.1 襯砌破損

在提質升級施工過程中,K62+081.6～K62+167.5段右側拱腰襯砌出現較嚴重裂縫且發展較快,現場檢測時發現K62+081.6～K62+167.5段裂縫已貫通,且寬度較大,其中K62+154～K62+160段襯砌開裂較為嚴重,裂縫寬度約為5mm,裂縫局部邊角破損,同時有錯臺現象,錯臺高差約為3～5mm(裂縫下端襯砌突出)。通過探測,其深度最大約為14cm,可能存在裂縫開裂傾斜甚至轉向情況。同時K62+092～K62+100段右拱腰、K62+198～K62+202段右拱腰襯砌剝落破損嚴重,混凝土襯砌結構已開裂,其中K62+092～K62+100段局部混凝土已發生掉落。現場二次襯砌表面裂縫見圖1。

圖1 現場二次襯砌表面裂縫

2.2 襯砌背后存在松散或空洞

分別在拱頂、左拱腰、右拱腰處共布置6條測線,檢測結果顯示初期支護、二襯背后出現不同程度的不密實等現象。其中右側拱腰病害較嚴重,深度范圍最深至150cm。

在K62+103右側邊墻距離路面1.5m處采用水平鉆進行鉆孔取樣,鉆孔揭示二次襯砌滿足設計

表1 部分板塊地質雷達檢測結果

要求,但二襯背后土體破碎。同時在對K62+076.5～K62+077.7段原有二次襯砌進行拆除換拱作業時,右側拱腰至拱頂處發生塌方,塌方約50m3,塌方高度約7m,塌落體以碎石為主;據此分析可知,馬道嶺隧道部分洞身背后的中風化白云巖在隧道運營期風化成為松散體,已達不到原設計的三類(四級)圍巖要求。

2.3 二次厚度不足

病害檢測范圍內,右拱腰實測厚度二襯厚度合格率為55.20%,拱頂實測厚度二襯厚度合格率為61.50%,左拱腰實測厚度二襯厚度合格率為47.10%,左拱腰、右拱腰、拱頂二襯厚度合格率較低,其中K62+148～K62+152段二襯最薄處僅為287mm,厚度嚴重不足,檢測結果見表2。

表2 部分板塊地質雷達檢測結果

3 加固方案

根據馬道嶺隧道襯砌開裂病害的情況分析,同時結合施工可行性、運營安全性和養護便利性考慮,確定采用“裂縫修補+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”的方案對襯砌開裂段進行加固處理。

3.1 裂縫修補

對裂縫進行加固,起到封閉裂縫、阻止襯砌進一步開裂的作用,施工工藝可分為:先沿裂縫走向兩側各打入φ42mm×4mm注漿鋼花管,對裂縫背后空洞或松散體進行加固,襯砌與圍巖形成組合拱結構,起到綁定加固的目的;然后采取壓力注射法在裂縫間注入裂縫修復膠,封閉裂縫。

3.2 襯砌背后空洞及不密實處注漿

檢測報告顯示,馬道嶺隧道襯砌背后存在空洞或不密實狀態。隨著圍巖不斷風化,圍巖對襯砌結構的約束,即彈性抗力系數減弱,同時圍巖物理力學性質變差,壓力拱不斷擴大,襯砌背后的圍巖壓力增加,這是造成襯砌開裂的主要原因之一。因此,通過注漿鋼花管對襯砌背后松散體或空洞進行注漿加固或充填,可以有效防止襯砌背后的白云巖繼續風化,并改善圍巖物理力學性能,阻止襯砌背后圍巖壓力繼續增加,降低襯砌繼續開裂風險。

3.3 鋼拱架套拱

鋼拱架套拱是此次加固處治的核心。為使原二襯與套拱的結合面之間有效傳遞剪力,采用在原二襯表面鑿毛、植入鋼拱架、植筋等方法,使新舊結構結合成一個變形協調的整體,共同承擔圍巖荷載,保障施工期及運營期安全;同時新增套拱還可以在一定程度上彌補原二襯厚度不足的缺陷。套拱加固工序如下:先在現有二襯表面環向開槽,預埋工字鋼架,然后在現有二襯表面植筋,并將植筋與鋪設在鋼拱架表面的鋼筋網焊接,最后澆筑混凝土,以保證現有二襯與套拱的整體性,詳見圖2。

圖2 鋼拱架套拱設計示意圖

4 結構計算分析

4.1 計算方法

采用Midas有限元計算軟件,通過荷載結構法計算二襯的軸力和彎矩,計算結構安全系數和裂縫寬度,分析裂縫產生的原因及套拱加固的安全性。

4.2 計算模型

以K62+148～K62+152段為典型斷面,建立二維有限元計算模型,根據《公路隧道設計規范》計算襯砌荷載。由于馬道嶺隧道建成通車時間較長,且原設計中初支僅為錨噴網結構,初支中不含鋼拱架,整體剛度較弱,故計算時圍巖壓力全部由二次襯砌承擔,初期支護僅作為安全儲備。地層抗力通過只受壓的非線性彈簧模擬[6],四級中風化圍巖地層抗力系數采用200MPa/m,通過將地層抗力系數減弱為100MPa/m模擬襯砌背后松散體;通過刪除地層彈簧和荷載模擬襯砌背后空洞,計算模型圖見圖3。選取拱頂、拱肩、拱墻及拱底共7個監測點,分析不同工況下軸力、彎矩的變化,并計算安全系數。

圖3 數值計算模型

4.3 計算結果

分別計算得到工況一:中風化白云巖狀態;工況二:

襯砌背后存在松散體;工況三:襯砌背后存在松散體及右側拱肩存在溶洞。三種工況下襯砌的受力狀態,各工況下的彎矩、安全系數及裂縫寬度如圖4所示。

圖4 不同工況下測點彎矩及安全系數變化曲線

通過計算分析可知,工況一狀態下,拱腰彎矩最大,安全系數為3.77,大于規范要求的最小安全系數2.0,同時該工況下結構偏心距較小,裂縫無需驗算。工況二狀態下,拱頂彎矩最大,此時安全系數為2.26,仍大于2.0,但裂縫寬度為0.37mm,說明二次襯砌能夠保證結構的整體穩定,但裂縫寬度超過規范要求,結構的耐久性要求無法滿足。工況三狀態下,由于右側拱肩位置出現空洞,空洞范圍內的二襯缺少圍巖約束,產生應力集中現象,此時右拱肩的安全系數僅為1.51,裂縫寬度為0.61mm,無論安全系數還是裂縫寬度,都無法滿足規范要求,結構處于失效狀態。同時,上述分析均基于既有二襯厚度滿足設計要求的550mm的假定,但通過現場監測發現,原有二襯厚度合格率較低,最薄弱處厚度僅約為設計值的一半,實際結構的安全系數和裂縫寬度計算結果將更加不利。

綜上所述,原襯砌背后的松散體或空洞及二襯厚度不足是導致馬道嶺隧道K62+081.6～K62+167.5右拱腰襯砌出現較嚴重裂縫的主要原因之一。

通過“裂縫修補+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”方案對襯砌開裂段進行加固處理后,該加固方案的套拱可視為疊合式套拱,即計算模型可按照整體受力計算,新襯砌厚度為現有二襯厚度加套拱厚度。經計算,增設套拱后的新二襯最薄弱處厚度為537mm,大致等于原設計厚度,但增設鋼拱架混凝土套拱可以起到提高混凝土標號,增加受力鋼筋的作用。經計算,在新二襯最薄弱處增設套拱后的安全系數為3.39,裂縫寬度0.16mm,滿足相關規范要求,證明了疊合式套拱結構的安全性和耐久性。增設套拱后的彎矩云圖見圖5。

圖5 增設套拱后彎矩云圖

5 結論

馬道嶺隧道存在縱向裂縫貫通、襯砌剝落破損嚴重、襯砌背后存在松散或空洞、二次厚度不足等諸多嚴重病害,采用“裂縫修補+襯砌背后空洞注漿回填+鋼拱架套拱”方案對襯砌開裂段進行加固處理,總結以下經驗:

(1)襯砌背后松散體降低圍巖對襯砌結構的約束,存在的空洞產生應力集中,同時現有二襯厚度不足,諸多不利因素疊加降低結構的安全系數,導致馬道嶺隧道襯砌出現較嚴重裂縫病害。

(2)疊合式套拱是此次加固處治的核心。采用在原二襯表面鑿毛、植入鋼拱架、植筋等方法,新舊結構將結合成一個變形協調的整體,共同承擔圍巖荷載;疊合式套拱不僅可以起到支撐加固的作用,還可以彌補結構缺陷。

(3)套拱施工時應充分重視裂縫兩側注漿和襯砌背后空洞及不密實處注漿工作,從而有效減少后期病害的發生。新建隧道結構施工時也應充分重視松散體和空洞的處理問題,防止隧道運營后出現類似馬道嶺隧道的縱向裂縫貫通問題。