喷射混凝土套拱加固方法的现场测试与分析

苏臣宏，崔一纬，吴亚磊，王亚琼

(1.西安公路研究院，西安 710065；2.长安大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，西安 710064)

21世纪以来，我国隧道得到了快速的发展，随着时间的推移，隧道的一些病害情况也已经慢慢浮现。在隧道的病害中，相对于隧道微裂缝、装饰物脱落等轻微病害，衬砌开裂、掉块和大量涌水现象将是导致隧道衬砌结构失稳的重要病害因素。目前，对于隧道衬砌裂损范围较大、稳定性较差的情况，喷射混凝土套拱加固技术能把大部分隧道衬砌的病害基本一次性解决[1]。然而现实中套拱加固形式多种多样，但对套拱加固技术缺乏系统的研究和整理，尤其是喷射混凝土套拱加固技术的研究，严重制约了公路隧道喷射混凝土套拱加固方面的推广及应用，因此，对公路隧道喷射混凝土套拱加固技术的研究具有现实意义。国内外许多学者对喷射混凝土套拱加固方法进行了一系列的现场测试与试验分析，并取得了一定的研究成果。喷射混凝土套拱加固方法早在20世纪70年代就有相关的报道，以碧鸡关隧道为例，文献[2]通过对喷射混凝土套拱加固效果进行总结，得出素喷混凝土套拱(厚度为2～10 cm)和网喷混凝土套拱(厚度为10～16 cm)两种加固方法可以分别用来加固一般的衬砌裂损和较严重的衬砌裂损。文献[3]基于室内大型加载设备，对衬砌加固技术进行了大量的室内试验，研究了不同加固技术对衬砌裂缝扩展的影响。文献[4-6]通过室内模型试验，对不同衬砌加固技术进行了室内试验，研究了不同加固技术衬砌的最终破坏形式、内力分布等情况。文献[7]在石匣隧道、重庆四角山隧道中，使用喷射混凝土套拱加固方法均取得了良好的加固效果，并对喷射混凝土套拱加固效果进行了分析。文献[8]通过对不同喷射混凝土套拱加固效果的研究，得出根据病害严重情况可采用不同的喷射混凝土套拱加固措施进行衬砌加固。喷射混凝土套拱加固方法目前已在国内部分病害隧道治理中得到应用，在喷射混凝土套拱加固方法的受力特性方面的研究还较少，为此文中对喷射混凝土套拱的受力特性进行分析，以期提升喷射混凝土套拱加固质量。

1 喷射混凝土套拱加固方法

1.1 隧道衬砌结构加固方法

隧道所处地质环境的复杂性会诱发隧道的一系列病害情况，针对不同的病害情况，采取有针对性的维修加固方法是至关重要的[9]。隧道衬砌结构维修加固包括衬砌加固、套拱加固、注浆加固和换拱加固。每种方法所起的作用不尽相同，因此应根据相应的病害情况，采取相应加固措施[10-13]，加固方法如图1所示。

图1 隧道衬砌加固方法

1.2 喷射混凝土套拱加固的适用情况

对于局部裂缝较多、深度较浅、发展较缓慢、有轻微渗漏水及掉块的衬砌病害情况，常采用喷射混凝土套拱进行加固。喷射混凝土可以防止衬砌松动，使裂损的块体能够紧密接触在一起，由于喷射的压力还可以将混凝土填补进衬砌的裂缝中，进一步增加衬砌的整体稳定性，提高衬砌的承载能力[14-16]。对于隧道衬砌裂缝较密集，有一定的承载能力，隧道净空较富余，可采用喷射混凝土与钢拱架、钢筋网和锚固筋相结合的方法，提高套拱的加固能力。

目前喷射混凝土材料种类较多，如混凝土砂浆、钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土和高分子材料水泥等，根据病害的严重程度采用不同的喷射材料能起到不同的加固效果。因此套拱加固方法已成为国内外病害隧道衬砌加固最为有效的处置措施之一。以八里关隧道为例，其加固方案如图2所示。喷射混凝土套拱断面施工工艺包括：对全隧道采取全断面钢花管注浆加固围岩，用工序①表示；对套拱施做锚固筋，用工序②表示；对套拱施做格栅拱架，用工序③表示；对全隧道施做喷射混凝土套拱支护措施，用工序④表示。O1、O2和O3分别为套拱外侧曲率中心、喷射混凝土衬砌内侧曲率中心和外侧曲率中心。隧道路面坡度为2%。

图2 喷射混凝土套拱断面施工流程图

2 工程概况

八里关隧道位于316国道汉中市留坝县姜窝子镇八里关村南100 m处，八里关四面环山，植被茂密，地形地貌复杂多样。八里关隧道为双向两车道，隧道全长82 m(里程桩号范围为235+405～235+487)，属于短隧道。进口(汉中方向)里程桩号为235+405，出口(留坝方向)里程桩号为235+487，洞身支护为曲墙式。隧道净宽10.5 m，净高5.0 m。隧道于2001年建成，迄今已运营16 a。其隧道结构断面图如图3所示。

图3 八里关隧道结构断面图

2.1 地质概况

八里关隧道处在低山区域，植被发育。隧道区内出露地层主要为片岩，局部夹石英岩和砂岩。两侧山坡底部均具有松散坡积物覆盖。断层位于隧道东侧5～15 m，倾向为300°，倾角为40°，属于小规模逆断层。该断层切割隧道，导致洞身范围内围岩破碎。受区域地质构造影响地层褶皱现象较多，节理较发育，一般2～3组，产状倾向为275°～330°，倾角为40°～60°，节理发育密度为3～4条·m-1。

2.2 隧道外观病害统计

衬砌混凝土存在8条环向裂缝、21条纵向裂缝及4处渗水，环向裂缝最长12 m，最大宽度4 cm，累计长度40 m；纵向裂缝最长10 m，最大宽度4 mm，累计长度58 m；衬砌纵、环向裂缝和渗漏水点较多，施工缝全部开裂，有一处衬砌施工缝处错台，最大错台高度3.8 cm；衬砌背后存在多处空洞及不密实现象。隧道病害照片如图4所示。

图4 隧道病害图

3 测试方法

由于现场测试是为了了解喷射混凝土套拱的受力情况，因此测试断面的选择应考虑围岩类别、隧道埋深、二次衬砌裂损和隧道渗漏水情况等因素，基于对以上因素的考虑，因此八里关隧道的现场测试选取235+413(以下简称413断面)与235+435(以下简称435断面)两个断面进行测试。413断面与435断面处围岩类别皆为Ⅱ类围岩，413断面埋深15 m，435断面埋深37 m。

3.1 原二次衬砌与喷射混凝土套拱之间的接触压力的测量

采用智能弦式压力盒测量原衬砌与喷射混凝土套拱之间的接触压力，把智能弦式压力盒固定在原衬砌与喷射混凝土套拱之间。目的是为了了解二次衬砌对喷射混凝土套拱的压力值及其分布情况，分析喷射混凝土套拱的受力情况。智能弦式压力盒的布设位置如图5所示。T1、T2、T3、T4、T5和T6均为压力测点编号。

图5 智能弦式压力盒断面布设图

3.2 喷射混凝土套拱内钢筋应力的测量

采用钢筋应力计测量格栅拱架中环向主钢筋的应力大小，在钢筋应力计两端的凹口处插入钢筋，然后把两端的钢筋焊接在格栅拱架环向主筋上，实现对钢筋应力计的固定。目的是为了了解格栅拱架应力的大小，为格栅拱架选型与设计提供依据；根据格栅拱架受力状态，判断二次衬砌和喷射混凝土套拱的稳定性；了解格栅拱架实际的工作状态，保证隧道的整体安全。钢筋应力计的布设位置如图6所示。GN1、GN2、GN3、GN4、GN5和GN6均为内侧钢筋应力计测点编号；GW1、GW2、GW3、GW4、GW5和GW6均为外侧钢筋应力计测点编号。

图6 钢筋应力计断面布设图

3.3 喷射混凝土套拱结构内部应力的测量

将埋入式应变计直接安装于喷射混凝土套拱中，二次衬砌变形引起喷射混凝土套拱的变形，使得应变计由不受力状态逐渐过渡到受力状态。目的是为了了解喷射混凝土套拱在围岩和原二衬的作用下，其套拱的应变及应力的分布情况；根据喷射混凝土套拱所受应力的大小，判断喷射混凝土套拱的稳定性；埋入式应变计的布设位置如图7所示。NN1、NN2、NN3、NN4、NN5和NN6均为内侧埋入式应变计测点编号；NW1、NW2、NW3、NW4、NW5和NW6均为外侧埋入式应变计测点编号。

图7 埋入式应变计断面布设图

4 结果分析与讨论

4.1 二次衬砌与喷射混凝土套拱间的压力测试结果分析

从图8～9中可知，413断面左拱腰处的接触压力的测试值逐渐增大，证明左拱腰处二次衬砌与喷射混凝土套拱间作用力不断变化，最大值为0.043 MPa；左拱肩处的接触压力的测试值较小，呈先减小后增大趋势，在第580天时最大值为0.012 MPa，证明左拱肩处的接触压力变化较小；右拱肩处的接触压力的测试值为整个断面的最大压力值，为0.113 MPa，说明该处二次衬砌呈变形状态，其值有变小趋势；右拱脚的接触压力前期为负值且压力较小，最大值为0.027 MPa，随着时间推移，压力值先增大后减小，接触压力的变化趋势趋于稳定，二次衬砌和喷射混凝土套拱间作用力趋于稳定。左拱脚处的接触压力值较小，变化不明显。

图8 413断面二次衬砌与喷射混凝土套拱间的应力时态曲线图

图9 413断面二次衬砌与喷射混凝土套拱间的应力分布图

另外从图9中可看出,隧道左侧接触压力值与右侧接触压力值呈现不对称分布，主要体现在左拱肩和右拱肩，左拱腰和右拱腰两处，反映出了围岩的复杂性、二次衬砌结构受力的不均匀性和其裂损严重性。

从图10～11可知，435断面处各测点处的接触应力均呈现增大趋势，变化趋势较缓慢，但有时会出现变小趋势。

图10 435断面二次衬砌与喷射混凝土套拱间的应力时态曲线图

右拱脚处的接触压力值最大，最大值为0.341 MPa，说明该处的围岩岩性较复杂，变形较大，导致二次衬砌随之变形较大。右拱脚、右拱腰和左拱脚、左拱腰处受力较大，受力基本呈对称分布，说明该断面拱脚、拱腰处的围岩岩性较复杂，变形较大，导致二次衬砌随之变形较大；左右拱肩受力较小，变化不明显，证明左、右拱肩处后方的围岩和二衬随时间发生较小的位移变化，进而对喷射混凝土套拱产生较小的作用力。左拱肩和右拱肩处的接触压力值有时为负值，压应力值随着时间不断变化，因此喷射混凝土套拱所受的作用力不明显。由于混凝土随时间收缩、膨胀，以及衬砌对压力盒的作用力，压力盒出现负值。

图11 435断面二次衬砌与喷射混凝土套拱间的应力分布图

两断面处二次衬砌对喷射混凝土套拱的压力值在不断变化，但变化幅度很小，增大趋势也比较缓慢，表明在施做喷射混凝土套拱后，喷射混凝土套拱随时间变化其承载能力越显著。同时所测量的接触压力会出现负值现象，证明此时压力盒呈受拉状态，表明此处二次衬砌对套拱的作用力可视为0，证明二次衬砌没有再次受背后围岩的影响而产生变形。

第一断面(413断面)最大接触压力为0.113 MPa，第二断面(435断面)最大接触压力为0.341 MPa，第二断面接触压力明显大于第一断面，因此可以得出随着隧道埋深增加，二衬对喷射混凝土套拱的作用力就随之增加。

衬砌与套拱间接触压力分布图与现场埋设元件所在断面原衬砌病害情况，如图12所示，由图12可知，断面受力情况与原衬砌裂损状况有关，衬砌裂损越严重，该部位的接触压力就越大。

图12 接触压力与原衬砌病害对比图

4.2 喷射混凝土套拱格栅拱架钢筋应力测试结果分析

格栅拱架413断面各测点的钢筋应力的时态曲线如图13所示。由图13可知，格栅拱架413断面的主筋只承受压力不承受拉力，格栅拱架的内环主筋应力最大值位于右拱腰GN5处，应力为-66.7 MPa；外环主筋应力最大值位于左拱脚GW1处，应力为-65.9 MPa。各测点钢筋应力值基本呈现逐渐增大趋势且增大趋势逐渐减小，处于受压状态，各测点钢筋应力计变化都已基本呈现变缓状态，右拱脚GW6处钢筋应力呈现先增大然后又有所减小趋势，其他各测点基本呈逐渐增大趋势。

图13格栅拱架413断面各测点的钢筋应力的时态曲线图

Fig.13Temporal curve of steel bar stress at each measuring point at the 413 section of grid arches

格栅拱架413断面各测点的钢筋应力分布如图14所示。由图14可得，格栅拱架的内环主筋应力较大值位于右拱腰GN5处和右拱肩GN4处，应力分别为-66.7 MPa和-46.1 MPa；外环主筋应力较大值位于左拱脚GW1处、左拱腰GW2处和右拱肩GW4处，应力分别为-65.9 MPa、-61.8 MPa和-46.4 MPa。比较内外环主筋受力情况可发现右拱脚(GN6、GW6)、左拱肩(GN3、GW3)和右拱肩(GN4、GW4)受力性质和时态变化形式基本相同。其余位置受力性质和时态变化形式有些差异，这种不同主要反映了围岩体与二次衬砌的变形不均匀导致格栅拱架的受力复杂化。

图14格栅拱架413断面各测点的钢筋应力分布图

Fig.14Distribution map of steel bar stress at each measuring point at the 413 section of grid arches

格栅拱架435断面喷射混凝土套拱钢筋应力时态曲线如图15所示。由图15可知，格栅拱架435断面的主筋只承受压力不承受拉力，格栅拱架的内环钢筋应力最大压应力值位于右拱脚GN6处，应力为-75.3 MPa；外环钢筋应力最大压应力值位于右拱脚GW6处，应力为-79.8 MPa。因此混凝土套拱轴向受力情况主要为受压。

图15 格栅拱架435断面喷射混凝土套拱钢筋应力时态曲线图

格栅拱架435断面各测点的钢筋应力分布如图16所示。由图16可知，格栅拱架435断面受力较对称。各测点钢筋应力值基本呈现逐渐增大趋势且增大趋势逐渐减小，处于受压状态，除了右拱肩GN4处钢筋应力先呈现增大然后又逐渐减小并趋于稳定。证明除了右拱肩内环钢筋应力有所降低外其他各部位的钢筋应力都趋近于稳定。

图16 格栅拱架435断面各测点的钢筋应力分布图

两断面的钢筋应力测试结果表明喷射混凝土套拱确实承担了一部分围岩作用力，若不施做喷射混凝土套拱，二次衬砌将持续承受全部的围岩变形压力，二次衬砌变形也会随之加剧而发生严重破坏。同时两端面各测点钢筋应力值基本呈现逐渐增大趋势且增大趋势逐渐减小，说明喷射混凝土套拱起到的支撑能力越来越明显，支撑能力随时间变化基本趋向于稳定状态。

另外第一断面(413断面)最大钢筋应力为66.7 MPa，第二断面(435断面)最大钢筋应力为79.8 MPa，第二断面钢筋应力明显大于第一断面，因此，可以得出随着隧道埋深增加，二衬所受到的破坏就越严重。

4.3 喷射混凝土套拱应力测试结果分析

喷射混凝土套拱413断面应力时态曲线及环向分布如图17～18所示。由图17～18可知，套拱413断面各测点的应力值均为负值，几乎都以压应力为主；左拱脚、左拱腰、左拱肩、右拱肩和右拱腰处的喷射混凝土套拱应力绝对值随时间变化而逐渐增加，但应力绝对值的增加速率随时间而减小。套拱右拱脚内侧应力绝对值先增加后减小，在第308 天处出现峰值，证明在此之后喷射混凝土套拱应力有所回调，这种变化反映了喷射混凝土套拱整体的受力情况与套拱自身所受的外力变化情况有关。

对比内、外两侧应力的环向分布图，其变化趋势几乎相同，但其应力大小却有所差异，外侧偏大，内侧偏小，此现象表明套拱自身承载能力没有完全发挥出来。

喷射混凝土套拱435断面应力时态曲线及环向分布如图19～20所示。

图17 喷射混凝土套拱413断面应力时态曲线图

图18 喷射混凝土套拱413断面应力环向分布图

图19 喷射混凝土套拱435断面应力时态曲线图

图20 喷射混凝土套拱435断面应力环向分布图

由图19～20可知，套拱435断面内侧各测点的应力值均为负值，处于受压状态，外侧各测点除了左拱肩为正值受拉外其余各测点均为负值，处于受压状态。内侧最大压应力位于右拱脚，大小为-717.4 kPa，外侧最大压应力位于右拱腰、左拱脚处，分别为-1 003 kPa、-928.2 kPa。最大拉应力位于左拱肩套拱外侧，大小为418.2 kPa。与二次衬砌与喷射混凝土套拱间的压力值分布相比，压力较大的地方喷射混凝土套拱内力较大，可得出左拱肩背后的二次衬砌越完整，则其对套拱的作用力越小，导致套拱内力变化较小。

对比两断面套拱内力测试结果可知，喷射混凝土套拱以受压为主，随时间变化套拱内力逐渐增加，增大趋势逐渐减小；喷射混凝土套拱内力与格栅拱架钢筋应力变化基本相同，个别地方变化有所差异；并且当二次衬砌与套拱间的作用力为正值的地方，正好也是喷射混凝土套拱内力变化较大的部位，但衬砌与套拱间作用力为负值的地方，套拱存在内应力，因此可证明套拱是一整体受力体，局部受力会把力进行分散，从而达到共同承载的效果。

5 结 论

1) 衬砌与套拱间的作用力整体随时间变化而增大，但变化幅度很小，增大趋势也比较缓慢，表明在施做喷射混凝土套拱后，喷射混凝土套拱随时间变化其承载能力越显著。且衬砌与套拱间的作用力环向分布受力不均，局部为负值，表明此处没有产生作用力，而出现作用力的部位就是原衬砌裂损较为严重的部位。

2) 喷射混凝土套拱起到的支护作用越来越大，钢筋应力大小与套拱所受外力有关，对比衬砌与套拱间的作用力，作用力大的地方钢筋应力也相对较大。

3) 随着隧道埋深的增加，二衬所受到的破坏就越严重，二衬对喷射混凝土套拱的作用力就随之增加。

4) 喷射混凝土内力整体呈现逐渐增大趋势且增大趋势逐渐减小，喷射混凝土套拱内力以受压为主，喷射混凝土套拱内力与格栅拱架钢筋应力变化趋势及环向分布情况基本相同，且基本呈对称分布，这和衬砌与套拱间作用力大小及分布稍有不同；套拱为一整体受力构件，可有效分散外力，使套拱自身内应力分布较均匀。