隧道仰拱初期支护钢架缺失整治技术

何尉祥，申玉生，何永辉，赵乐

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)



隧道仰拱初期支护钢架缺失整治技术

何尉祥，申玉生，何永辉，赵乐

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

摘要:新建兰渝铁路某隧道仰拱初期支护钢架缺失，运用有限元软件ANSYS采用荷载-结构模型计算隧道断面各处内力。按破损阶段法求出隧道断面各位置的安全系数，得出拱顶位置的安全系数最小，且不满足规范要求，需采取整治措施。根据计算结果提出一种整治措施，即采用中空注浆锚杆对仰拱进行注浆补强，该方案改善了隧道仰拱周边围岩的力学性能，也使仰拱初期支护恢复力学效应，取得了良好的整治效果。该技术对类似的隧道病害整治有一定的参考意义和推广价值。

关键词：初期支护；仰拱；安全系数；中空锚杆；注浆

1概述

新建兰渝铁路某隧道为双线铁路隧道，隧道处在剥蚀丘陵，隧道洞身穿越侏罗纪遂宁组泥岩夹砂岩，岩层倾角平缓，产状变化较小，未见断裂构造形迹。地下水不发育，预计隧道涌水量较小，环境作用类别为T2，地下水对混凝土结构无侵蚀性。隧道穿越Ⅲ级，Ⅳ级和Ⅴ级围岩，其中洞口段处在Ⅴ级围岩范围。隧道按照新奥法原理设计，衬砌结构采用初期支护和二次衬砌的复合式衬砌支护。洞口段处在Ⅴ级围岩范围，隧道支护结构采用Ⅴ级围岩Ⅰ型加强复合式衬砌。Ⅴ级围岩复合式衬砌，初支拱墙厚度28cm，I20b型钢，钢架间距0.6m；衬砌厚度二衬50cm，仰拱60cm，衬砌混凝土采用C35钢筋混凝土，二衬、仰拱Ф22钢筋，间距20cm。Ⅴ级围岩隧道断面原设计图见图1。

单位：cm图1　Ⅴ级围岩隧道断面原设计图Fig.1 Original tunnel cross-section design of Ⅴsurrounding rock

2隧道施工缺陷

改隧道已建成3a并已运营通车。经检验，该隧道在里程洞口段80m范围初期支护仰拱钢架缺失，造成仰拱刚度下降。洞口段埋深较浅，地质条件较差，该施工质量缺陷使隧道结构强度降低，威胁整个隧道的安全，故需要在论证分析后采取整治措施。

3荷载结构计算

3.1荷载结构模型

根据荷载-结构模型理论，建立隧道洞口段横断面平面模型，纵向长度取1m。假设衬砌四周均布地基弹簧，其中二次衬砌采用梁单元(Beam)模拟，地基采用弹簧单元(Spring)模拟，弹簧长度取1m。地基弹簧只可受压，不可受拉，经反复试算后需删除受拉弹簧。荷载-结构模型见图2。

图2　荷载-结构模型Fig.2 Load-structure model

3.2计算参数

根据铁路隧道设计规范(TB10003—2005)，围岩物理力学参数取值如表1[1]所示。该隧道初期支护仰拱钢架缺失段平均埋深为30.2m，经计算属浅埋隧道，按浅埋隧道计算。按破损阶段法计算隧道衬砌强度力学参数具体参数值见表2。

表1　围岩物理力学参数取值表

表2　衬砌材料力学参数

表3　二次衬砌内力及安全系数

3.3内力计算

隧道初期支护仰拱钢架缺失，造成仰拱刚度降低。根据该隧道设计说明，Ⅴ级围岩隧道设计时按二次衬砌在复合式衬砌中承担围岩压力50%～70%。由于仰拱初期支护钢架缺失，造成仰拱初期支护强度不足，从而破坏了整个初期支护支撑体系，使初期支护的力学性能大大降低[2～5]。此时二衬承担荷载比例尚不清楚。按最不利情况考虑，可以认为初期支护失效，围岩压力全部由二次衬砌承担。采用有限元软件ANSYS按荷载-结构模型对二次衬砌受力进行计算。选取断面7个典型位置为二次衬砌内力控制点。示意图见图3。

计算二次衬砌承担全部荷载时的隧道衬砌轴力、弯矩，结果见图4～5，根据铁路隧道设计规范(TB10003—2005)按破损阶段检算衬砌截面强度[6]，得到各控制点的内力及安全系数见表3。隧道断面二衬各位置的安全系数见图6。由图6可以看出，仰拱处的安全系数较大，拱顶的安全系数最小，为1.6，不满足规范的要求。在隧道45°方向位置的安全系数也较小。

图3　二次衬砌控制点示意图Fig.3 Sketch of control points on secondary lining

单位：N图4　二次衬砌轴力图 Fig.4 Axial force diagram of the secondary lining

单位：N·m图5　二次衬砌弯矩图Fig.5 Bending moment diagram of the secondary lining

按二衬承担荷载比例从50%～100%依次计算隧道断面各控制点的轴力、弯矩，得到安全系数，其变化情况见图7～8。

由图7～9可见，随着二衬承担荷载比例的增加，轴力和弯矩都逐渐增加，安全系数逐渐减小。由图8可见，拱顶处弯矩最大，其变化也最大，当二衬承担荷载由50%增加到100%时，拱顶处弯矩增加了92%。拱顶两侧位置弯矩方向发生变化，即由隧道内侧受拉逐渐变化到隧道内侧受压。由图9可见，拱顶处的安全系数最小，其他位置的安全系数相对较大。当二衬承担荷载大于75%时，拱顶处安全系数小于规范规定的最小安全系数2.0，此时必须采取加固措施。偏安全考虑，可认为初期支护完全失效时，即二衬承担全部荷载，此时拱顶附近的安全系数为1.6，已小于规范规定的最小安全系数2.0，需要采取措施进行加固。可见，拱顶是该隧道最危险的位置，是整个断面强度的控制点，施工时必须严把质量关，不得偷工减料，拱顶位置的受力钢筋可适当增加[9-12]。

图6　二次衬砌安全系数图Fig.6 Safety factor diagram of the secondary lining

图7　轴力随二衬承担荷载比例变化Fig.7 Graph of the axial force over the change of bearing load proportion of the secondary lining

4整治措施

根据国内的工程实例经验，隧道仰拱对提高隧道结构的承载力，抑制围岩内塑性区的扩展，约束隧道洞周位移的发展，提高衬砌结构的安全度等方面都有非常重要的作用[13-15]。

为进一步确保隧道安全，在不拆除重新修建仰拱情况下，可采用在衬砌结构墙脚、仰拱底部增设锚杆，用锚杆来约束隧道的周边位移及竖向位移，同时，中空锚杆注浆，可固结围岩与仰拱底松散层及围岩内部的裂隙，以提高隧道底围岩基础承载能力，满足隧道正常使用要求[16-17]。

图8　弯矩随二衬承担荷载比例变化Fig.8 Graph of the bending moment over the change of bearing load proportion of the secondary lining

图9　安全系数随二衬承担荷载比例变化Fig.9 Graph of the safety factor over the change of bearing load proportion of the secondary lining

4.1设计原则

1)采用动态设计，本着安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的原则；

2)尽量利用既有衬砌结构性能，对结构缺陷处进行快速有效的补强；

3)整治时的工法和工艺应具有较强的安全性和可操作性。

4.2整治方案

1)先对衬砌观察，衬砌没有裂纹或仅有微小裂纹(宽度小于2mm)、无错台、无压溃现象，仰拱结构无破损或破损较轻时，在两侧边墙距盖板顶10cm与水平呈15°斜向下各设置一根长L=5.0m的Φ32中空注浆锚杆，在距水沟边墙外50cm及中央排水沟两侧100cm处各竖向设置长一根L=5.0m的Φ32中空注浆锚杆进行加固，锚杆纵向间距1.80m，呈排布置；锚杆采用水泥浆灌注，待锚杆锚固砂浆强度达到设计强度值后，再采用扭力紧固锚杆螺母，张拉力达到70kN以上。

2)若衬砌存在裂纹(宽度大于2mm)或有错台或压溃现象或仰拱结构破损或破损较严重时，发生一种或一种以上，应对该段仰拱进行拆除，按既有设计图纸重新修建。

3)注浆材料采用水灰比宜在0.38∶1～0.50∶1，注浆压力控制在0.5～1.2MPa，注浆施作应控压、控量注浆，保证在线路安全的前提下使注浆饱满。

具体整治方案设计及锚杆设计处理方法见图10～14。

4.3施工流程

1)首先复核隧道仰拱钢架缺失段位置，并对现场进行测量放线；

图10　注浆加固平面布置示意图Fig.10 Layout diagram of grouting reinforcement

图11　I-I剖面图Fig.11 I-I cross-section diagram

图12　竖向锚杆头处理图Fig.12 The handling diagram of the vertical bolt head

图13　边墙锚杆头处理图Fig.13 Handling diagram of the bolt head on sidewall

图14　中空注浆锚杆注浆示意图Fig.14 Grouting sketch of hollow grouting bolt

2)在锚杆钻孔前，应先对隧道仰拱回填层顶面进行开孔，开孔大小为宽15cm正方形，深8cm；

3)将合金钻头与锚杆一端连接，另一端连接上钎套、钎尾后再与台车或手持式钻机连接好。按设计的深度开始钻进，钻进时须加注冷却水；钻进至设计深度，应用水或空气洗孔，检查钻头上的孔是否畅通，锚杆按设计要求外露；

4)卸下钻机，将止浆塞套进杆体，并将其塞入孔内，准备注浆；注浆压力过大或围岩太破碎，可用锚固剂封孔；

5)对锚杆进行注浆；

6)安装垫板和螺母，并旋紧螺母；

7)对开孔衬砌混凝土进行凿毛，清洗干净，为增加粘结都，涂刷一层界面胶；

8)浇筑C30微膨胀细石混凝土或C30水泥砂浆；

9)清理混凝土表面，并涂刷水泥基结晶渗透型防水材进行表面防水并与既有混凝土保持一致颜色。

4.4锚杆注浆施工工艺

1)对仰拱注浆工艺，可采用锚杆体的中空孔作进浆孔，锚孔与围岩间空隙排气回浆管；

2)锚杆钻孔：按设计要求放样锚杆位置，并进行钻孔至设计深度，非自进行式锚孔钻完后应进行清孔；

3)锚杆安装：将中空注浆锚杆插入孔底，锚杆杆体露出面的长度为12cm，安装止浆塞、垫板、螺母；

4)锚杆灌浆：迅速将锚杆和注浆管及挤压泵用快速接头连接好，开动泵注浆，整个过程应连续灌注，不停顿，灌浆结束条件为排气管内连续溢浆每孔灌浆结束完成后，再关闭注浆泵；

5)待锚杆锚固砂浆强度达到设计强度值后，再采用70N·m扭力紧固锚杆螺母；

6)注浆材料：灌浆材料采用P.0.42.5R水泥，单液灌浆，灌浆水灰比：0.38～0.50∶1，并掺入FDN减水剂；

7)质量检测。施工完成后对锚杆进行检测，初始抽检率不少于总设计数量30%，若检测过程中锚杆存在不合格现象，则将检测率提高到总锚杆数量50%以上，检测方法为无损检测，测其长度及砂浆注满度，评定合格参照《锚杆锚固质量无损检测技术规程》(JGJ/T182—2009)，锚杆长度不小于设计97%，砂浆注满度不小于80%为合格；若有其他可靠先进检测方法也可采用。

中空锚杆施工工艺流程见图15。

5整治效果

理论上，锚杆能把隧底围岩、初期支护、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土紧密结合在一起整体受力。同时通过注浆，改善了仰拱和隧底围岩的物理力学性能，提高了其弹性模量和黏聚力，使衬砌结构和围岩共同作用形成承载拱，约束隧底围岩向上隆起，抑制隧道结构的整体变形。通过曾设锚杆和注浆，使初期支护封闭成环，形成整体结构受力，这样二次衬砌的受力得以减小。根据工程经验及设计说明，按二次衬砌承担50%的荷载计算结构受力，按破损阶段检算衬砌截面安全系数，得到二次衬砌断面的安全系数如图16所示。由图16可知，此时隧道二衬各位置安全系数均满足规范。

整治后，通过一段时间的观察，隧道内未出现衬砌裂缝、渗漏水和变形等异常情况，该整治方案取得了预期效果。

图15　中空锚杆施工工艺流程图Fig.15 Technical process diagram of hollow bolt construction

图16　二衬承载50%断面安全系数Fig.16 Safety factor diagram of the secondary lining bearing 50% load

6结论

1)通过荷载-结构法计算对比分析初期支护仰拱钢架缺失的内力变化，可知：随着二衬承担荷载比例的增大，二衬的轴力和弯矩都增大，安全系数减小，拱顶位置的安全系数最小，当二衬承担荷载比例超过75%时拱顶的安全系数小于2.0，不满足规范要求。

2)针对初期支护仰拱钢架缺失提出一种整治方案，即采用中空注浆锚杆对仰拱进行加固。在不影响隧道净空的前提下，通过对仰拱底部和拱脚位置注浆，抑制了围岩的变形和塑性区的发展。

3)对注浆参数和施工工艺进行优化，使注浆施工质量得到保证。

4)本文的荷载-结构模型定量计算结果仅针对本次工程，但定性规律可推广到其他类似工程。

5)本文没有对周边围岩的变形做进一步的分析，对注浆参数的选取主要依靠工程经验。如果需要更精确的结果可能需要三维模型的分析和现场试验。

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* 收稿日期：2015-08-23

通讯作者：申玉生(1976-)，男，山东临朐人，副教授，博士，从事大跨度隧道施工力学及强震区山岭隧道抗减震技术方面的教学与研究工作；E-mail：sys1997@163.com

中图分类号：U25

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1114-08

Remediation technology about the lack of steel frame of tunnel primary support on the inverted arch

HE Weixiang，SHEN Yusheng，HE Yonghui，ZHAO Le

(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation，SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract：Due to the lack of steel frame of primary support on the inverted arch of a tunnel on new Lanzhou-Chongqing railway, the load-structure model isused to calculate the internal force of tunnel cross-section with the finite element software ANSYS. According to the broken phase method, the safety factor of tunnel cross-section of each position is calculated. The result shows the safety factor of vault location is minimum, and it did not meet the requirements of code. There is a need of taking some measures. According to the calculation results, a regulation measure is brought forward. This method can be concluded as: grouting the inverted arch by hollow grouting bolt to reinforce it. By this way, the mechanical property of surrounding rock near the inverted arch can be improved, the mechanical effect of primary support on the inverted arch ianbe been restored, and it has achieved good effects. This technology has some reference significance and promotion value to the similar tunnel diseases.

Key words：primary support; inverted arch; safety factor; hollow bolt; grouting