浅谈H型钢拱架在关山隧道加固技术中的应用

胡宇宁（甘肃省平凉公路管理局，甘肃平凉 744000）

浅谈H型钢拱架在关山隧道加固技术中的应用

胡宇宁
（甘肃省平凉公路管理局，甘肃平凉 744000）

关山隧道位于甘肃省平凉市华亭至庄浪交接的关山，海拔高度2280m， 气候高寒阴湿，是省道304线控制性工程。隧道全长2825m，为单洞双车道，最大埋置深度310m，主要病害是衬砌开裂、掉块和路面裂缝及破损。关山隧道衬砌拱顶混凝土发生掉块，经过勘察论证确定采用H型钢钢拱架临时加固处理方案。实践证明施工工艺简捷、可操作性强，质量安全可靠。

关山隧道 衬砌掉块 H型钢钢拱架 支撑加固

1　病害分析

1.1衬砌掉块的原因

（1）衬砌裂缝多且纵横相交。掉块段裂缝为纵向裂缝、斜向裂缝、环向裂缝相交网状形态，裂缝多为0.5mm以上且存在错台现象，裂缝的发育及贯通造成掉块。（2）衬砌厚度不足。掉块位置K109+876-K109+879处拱顶厚度在18cm～31cm之间，最薄厚度18cm。因此，隧道衬砌厚度不足造成衬砌内力集中，产生裂缝，裂缝的发展及贯通形成衬砌掉块。（3）拱顶空洞。经甘肃省科研院检测塌陷存在空洞，形成几十厘米至两米的压溃区， K109+879-K109+883为此类。

1.2衬砌开裂的原因

1.2.1环向裂缝及施工缝开裂的原因

（1）温度应力。1）施工期混凝土浇筑过程中水化热过大或混凝土浇筑体积较大时，衬砌浇筑后易因降温和混凝土收缩而拉裂。2）隧址区属于季节性冰冻区，早晚温差大，衬砌内部温度应力随气温循环变化，造成施工缝开裂和环向裂缝。此种裂纹的特点是纵向间隔比较均匀，沿结构长度方向的垂直方向开裂，裂缝无错台，缝宽很小，一般不到0.2mm。（2）不均匀沉降。基底不均匀沉降引起的环向裂缝，此种裂缝开裂宽度也很小，缝左右的上下错距一般不大（因基岩下沉有限），其与温度及混凝土收缩引起的开裂区别在于它沿纵向的分布不均匀而与地质有关。

1.2.2纵向和斜向裂缝产生的原因

（1）拱顶空洞及二衬厚度不足。当隧道上方有空洞或回填不密实时，衬砌在地层压力作用下拱腰（及边墙）向内变形，拱顶因无地层抗力向上变形，当变形超过混凝土极限时即发生破坏，此时拱顶形成长带型宽几十厘米至两米的压溃区，有剥落掉块，掉块一般为中间厚、边缘薄的梭状，并且随着变化的发展可以一层层剥落。在拱顶内侧压溃的同时，拱腰和边墙承受正弯矩而发生张裂，裂缝由弯拉应力太大而产生，所以裂缝表面宽而向里面逐渐消失。（2）地质条件。裂缝集中段落内分布有一条断层破碎带，断层破碎带内岩体破碎，呈角砾、碎石状松散结构，围岩稳定性差，断层影响范围内围岩压力过大也是造成衬砌开裂的主要原因。（3）仰拱存在质量缺陷。仰拱厚度不足，回填不密实，隧道二次衬砌不能成环，结构受力不合理，是隧道产生纵向裂缝的主要原因。

2　病害处治方案

根据关山隧道病害现状及原因分析，应急处治方案如下：

（1）隧道临时支撑及应急保障。施工现场应准备30cm原木、型钢等临时支撑，纵向间距宜采用50cm，具体根据现场施工进行调整，且应准备足够的紧急医疗药品、生活必须品及逃生管道等应急物资、设备，保证人员施工安全。（2）隧道开裂、掉块衬砌加固。本次隧道病害发生在K109+869-K109+913段，共计加固45m，在拱顶设6mm厚A3钢板，钢板底端距路面高程不应低于5.7m，用螺栓采用梅花形布设与衬砌混凝土紧贴锚固，螺栓间距宜采用100cm×100cm；K109+868-K109+873、K109+885-K109+900段衬砌采用HW175型钢支撑，纵向间距1 0 0 c m， K 1 0 9+8 7 3-K 1 0 9+8 8 5、K109+900K109+913段衬砌采用HW175型钢支撑，纵向间距50cm，榀间设φ22纵向连接筋，环向间距30cm，布设于H175型钢内缘；每榀H175型钢拱脚两侧各植入3根L=50cm长φ25钢筋，植入深度30cm，但不可刺穿防水板，植入钢筋端部应采用堆焊、φ22圆钢等可靠措施与型钢连接牢固，保证结构整体受力。

3　施工注意事项及要点

（1）隧道应临时封闭进行施工，沿线各交叉路口设有施工绕行告示牌，禁止车辆和行人进入隧道。施工作业区设置锥桶、警示标志和标线，配有安全人员24小时现场管理和观测。（2）施工作业流程：红外基准放线→墙面固定连接钢板→架设H175型钢拱架（拱脚和拱腰）→拱顶顶板（拱顶固定6mm厚A3钢板）→拱脚设φ25植入钢筋，端部与H型钢通过堆焊、φ22圆钢等可靠措施与型钢连接牢固。（3）H型钢每拱架每环由五段构成，其中拱顶一段，弧长6.294m，拱腰两段，每段弧长3.236m，边墙两段，每段弧长3.233m；为了不影响隧道吊顶布设，拱顶H型钢边缘距路面高度也不低于5.7m；施工中如拱架与隧道原电缆架桥、照明设施和消防栓箱有冲突时，可适当和灵活调整拱架焊接安装间距，确保施工顺利进行。（4）施工中加强监控量测与临时支撑，要求监控量测点布置断面间距不大于1.5m，局部变形严重地段根据实际情况进行加密，每天监测频率不少于3次，以便掌握衬砌变形情况。（5）钢拱架弧长系为H型钢对称中心线弧长，为了使型钢与隧道衬砌紧贴密实，型钢拱架半径、弧长根据监测资料适当进行调整拟合，施工中可在H型钢与衬砌缝隙间用木楔或橡胶块垫紧，保证钢支撑受力均匀。（6）拱顶钢板边缘应由H型钢翼板覆盖，保证钢板与原衬砌紧贴密实，钢板固定后与H型钢焊接，φ22纵向连接筋应焊接在H175型钢内缘。（7）拱顶钢板采用M20×70高强螺栓固定，螺栓应采用梅花形布设，间距100cm×100cm，位置应与型钢错开，保证型钢紧贴钢板。（8）每环钢拱架分段长度可根据实际情况及施工方便适当调整。（9）植入钢筋施工工艺及要点：1）钻孔。孔深与钢筋植入深度相同，孔径比钢筋直径大2～4mm，孔位应避让钢束和构造钢筋。2）清孔。孔道应先用硬鬃毛刷清理，再以高压干燥吹风机吹去孔道底部粉尘，碎渣和水分，使孔内保持干净和干燥。3）灌胶。将植筋胶由孔底灌注至孔深2/3处，待插入锚筋厚，胶即充满整个空洞。4）插筋。植入筋插入前应清除插入部分的表面污物。并需插到孔底，孔口多余的胶应清除。污物应先以钢刷清理，再用丙酮擦干净。5）在胶液干固前，避免扰动锚固钢筋和在孔位附件有明水存在。6）严禁盲目钻孔植筋，植筋位置应在结构表面画好，不能在结构棱边上植入。施工前应在现场进行抗拉试验，钻孔直径为钢筋外径+4mm为好，植入深度达到设计标准。7）植筋孔注胶时，必须使孔内胶液饱满，注胶应在气温较高时进行。8）植筋孔注胶24小时后方可对被加固构件进行下道工序。

4　结语

本次关山隧道加固为应急保通处治，只对衬砌掉块和开裂段进行了应急处理，目前加固段结构稳定，没有出现较大变形。下阶段必须加强日常养护和管理，对隧道病害发展情况全方位监测，为隧道安全运行和永久性加固提供必要的理论依据。