波纹钢板加固隧道衬砌的应用研究——某隧道工程实例分析

叶子健， 刘德华， 宋延旭

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044；2.中路高科交通检测检验认证有限公司， 北京 100088；3.中交路桥科技有限公司， 北京 102400)

随着国民经济的发展，我国交通基础设施建设规模逐渐扩大，高速公路、高速铁路建设迅猛发展。由于地质条件、设计、施工及运营等方面的原因，隧道病害问题日益严重，甚至影响到隧道的正常使用。在满足交通需求量的同时，保证线路运营的安全就使得对隧道裂缝病害的探究及其整治技术与方法的研究很有必要。

通过对隧道进行波纹钢板套拱加固，可以大幅提高衬砌结构的承载力，国内外已有学者对波纹钢板的力学性能进行了研究。FLENER[1,2]测定不同跨径的波纹钢板箱涵结构在不同荷载作用下的应力变化,发现波纹钢板加强肋有效减小结构的变形和拱脚应力，提高了箱涵结构的极限承载力。MORRISON[3]提出了对波纹钢板进行混凝土复合肋包裹加强，可以增大箱涵结构的刚度与抗弯能力。赵豪俊等[4,5]通过试验和有限元模拟的方式对波纹钢- 钢筋混凝土组合桥面板进行了研究，并对组合桥面板的极限承载力、挠度变形以及波纹钢板的应变等进行了分析。杜锋涛[6]以汉中市108国道槐树关波纹钢板拱在隧道套拱加固技术中的应用为例，分析总结了波纹钢板拱定位、拼装的施工方法和加固后的效果。陈望祺等[7]为解决衬砌起层剥落病害问题，提出使用波纹钢板套衬的衬砌加固方法，并建立了相关的数值分析模型。任天宇等[8]为提高既有隧道结构承载力及刚度，对盾构隧道衬砌管片进行波纹钢板加固，分析了加固管片的受力过程、破坏模式以及加固机制，对其加固效果进行了评价。吕高乐[9]采用有限元数值模拟方法对某波纹钢拱圈式隧道明洞结构进行受力分析，为该类型隧道明洞结构的应用提供理论依据。

从以上波纹钢板的研究来看，对波纹钢板的研究绝大部分停留在试验以及数值模型上，要进一步研究波纹钢板加固隧道衬砌的方法，根据施工现场的相关数据资料分析其有效性就显得很有必要。本文以某运营隧道加固工程为例，从施工工艺、现场监测、数值模拟及数据分析等方面对波纹钢板应用于衬砌加固的技术进行了详细论述。

1 隧道概况及主要病害

本隧道由南北线组成，两洞净宽均为7 m，该隧道场地地形属低山丘陵地貌，隧道洞区穿越的围岩主要为微风化的花岗混合岩和未风化岩，局部属弱风化，分类属Ⅳ类，局部为Ⅲ类，岩石完整性较好。隧道洞区内在洞身中部遇有岩石裂隙水，水位不稳定，岩石裂隙水pH=7.1，属重碳酸盐钙镁水。岩体为弱透水地层，对混凝土无侵蚀性，对钢筋有弱腐蚀性。地震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.1g，具体如图1所示。

根据检测报告及现场踏勘，隧道(南北洞)二衬强度、断面净空满足设计要求，目前主要存在以下病害：

第一，衬砌开裂。隧道共发现裂缝180条，以纵向裂缝为主，环向次之，斜向裂缝最少，个别段落裂缝密集呈网状(图2)。分析其成因是二衬混凝土在浇筑的施工过程中，个别部位振捣不充分时，容易造成混凝土的不密实，而混凝土凝固成型以后，振捣不密实的部位较其他部位的强度较低，导致了该部位的应力承受能力不足，产生裂缝；此外衬砌浇注后易因降温和混凝土收缩而拉裂，或由于衬砌背后空洞以及混凝土厚度不足引起水平开裂。

第二，衬砌渗漏水。根据检测报告和现场调查，隧道渗漏水现象比较严重，共检测出渗漏水50处，主要表现为施工缝渗水、衬砌裂缝渗水和面渗水(图3、图4)。分析成因是排水系统堵塞，导致地下水从二次衬砌渗出，以及施工质量差导致裂缝渗漏水。

第三，衬砌厚度不足及二衬脱空。在采用地质雷达对隧道衬砌拱顶、左拱腰、右拱腰进行连续扫描检测后，发现部分段落衬砌厚度不满足设计要求，部分区域存在二衬脱空情况，存在一定安全隐患。具体病害原因可能是由于在开挖过程中，现场施工测量控制不严或误差，初期支护侵入二次衬砌界限引起衬砌厚度不足；混凝土在浇筑过程中振捣不密实，内部存在气孔、空洞等，上部混凝土浇筑完成后，在自重作用下下沉，在拱部造成空洞。

第四，隧道南北洞部分段落病害严重，衬砌板块存在多处纵向和斜向裂缝且裂缝宽度较大，并伴有渗水发生，拱顶和侧墙有多处混凝土掉块现象。主要原因是二次衬砌厚度不足，混凝土浇筑质量不高，在地下水的侵蚀、洞内行驶车辆震动等作用下产生掉块。

从以上主要病害情况来看，对于普通病害，采用传统治理方案即可，然而在多种病害同时发生的板块，存在较多横向、纵向裂缝，混凝土掉块且渗漏水严重。使用喷射混凝土、嵌入钢拱架等传统治理方案，有着维修加固时间长、成本高、对结构扰动大等局限，由于这些处理手段的局限性，会导致施工效果不理想。结合隧道病害情况和实际通行压力，故采用波纹钢板套拱加固技术对该隧道进行加固，避免衬砌结构表面出现剪切、剥离等病害。

2 波纹钢板施工工艺

2.1 准备工作

首先为波纹钢板护拱的安装做准备工作。护拱施工前需拆除相应的照明设施和装饰瓷砖，对相应段落进行断面测量，结合二衬内轮廓的实际情况，按要求凿除部分混凝土，并在衬砌原表面喷涂3道改性乳化沥青作为防水层。

2.2 基座安装

首先植入基座钢筋，浇筑自密实混凝土基座，待混凝土硬化后在其上固定好基底角钢，角钢通过锚栓将其与基座和原结构拱脚相连接，如图5、图6所示。

2.3 波纹钢板安装

所用波纹钢板为Q 345C波纹钢板，钢板厚度为7 mm，在所有波纹钢板到达施工现场之后，正式开始安装计划。首先将需要安装波纹钢板的板块分为8环，每环由7块波纹钢板组成。之后在隧道口空地前将所有波纹钢板按长度分为5个型号，将钢板横放后，使用电焊将原连接孔位进行扩孔处理，并在空地上人工拼装拱顶端的3块波纹钢板，如图7所示，再由吊车将拼好的3块钢板运往隧道内。

单个拱单元采用4+3的方式拼接，即先拼接两边拱脚处的2块波纹钢板，上边3块采用挖掘机的拱形安装支撑撑起后与下边的4块板进行拼接。

在隧道内因小挖掘机力量不够，需用大挖掘机将顶部波纹钢板抬升上去，在这个转换过程中波纹钢板存在侧向垮塌的危险，因此在这个过程中小挖掘机必须在侧向对波纹钢板护拱环进行支撑，防止波纹钢板侧向垮塌，如图8、图9所示。

通过高强度螺栓实现波纹钢板之间的连接，为防止安装完浇筑的时候跑浆，片与片、环与环之间加装密封条。在环与环连接后，在波纹钢板焊缝处涂抹环氧树脂防护，以形成侧面封闭区域。

角钢上部连接波纹钢板，在波纹钢板与角钢密贴后，将波纹钢板与角钢焊接，固定波纹钢板与基座的连接。在整个板块8环波纹钢板安装结束后，使用竹胶板、木条、钢筋及膨胀螺栓等将波纹钢板与二衬之间缝隙进行封堵，防止灌浆时出现漏浆情况。

2.4 灌浆

波纹钢板护拱安装完毕后，在波纹钢板护拱与原衬砌之间灌浆。所灌浆料为4～25 cm超流态型高强微膨胀灌浆料，是一种水泥基自流型微膨胀干粉砂浆，具有早强、高强、自流动和微膨胀等特性。灌浆料凝固后，使原衬砌结构与拱形波纹钢板结构之间相互作用形成整体的受力体系，并且灌浆料作为混凝土衬砌的延伸，能降低波纹钢板中的最大应力，延长其使用寿命[10]。由于所灌混凝土量较大，一次性灌浆可能造成应力集中，导致钢板连接处出现鼓胀破裂现象，故分为2次灌浆。第一次灌浆，混凝土由左右拱腰处焊接的灌浆口灌入，待到浆料至拱脚、拱腰之间时结束第一次灌浆，等待混凝土凝固。第二次灌浆先由左右拱腰处焊接的灌浆口灌入混凝土，待出浆口溢出后，改为拱顶灌浆口灌浆直至灌满。确定灌浆灌满后，在波纹钢板上喷涂5.5 mm薄涂型钢结构防火涂料，然后在检修道及人行道以上2.5 m范围内涂装乳白色油漆装饰并恢复原先照明与装饰。

3 波纹钢板现场监测

为了分析波纹钢板加固作为一种新型的隧道加固方案存在的优势，并总结波纹钢板加固方案的加固效果，在施工的同时进行了波纹钢板相关数据的现场监测，通过对监测数据的处理分析，为下一步研究波纹钢板加固隧道的效应提供参考。

此次现场监测主要包括隧道限界检测和结构应力数据监测，通常情况下，在施工过程中由于变形及稳定性的要求，同样需要对结构的位移进行监测记录，但由于此次施工过程中因其他原因调整了施工计划，在施工与监测同步进行的情况下，为了不影响施工工期，只能放弃对位移量的监测。

3.1 隧道限界检测

在波纹钢板施工结束后，使用隧道断面扫描仪直接测取隧道断面上限界控制点的三维坐标，记录并分析，结果如图10所示。

从图10来看，所装波纹钢板基本贴合隧道衬砌，满足隧道限界，能保证通车后隧道内各种交通的正常运行与安全。与常规套钢筋混凝土内衬无法利用隧道衬砌净空相比，使用波纹钢板既起到加固衬砌的作用，又不会侵入隧道限界。

3.2 应力数据采集

应力监测采用钢弦式应变传感器进行监测，将所测波纹钢板板块分为2个断面，其中每个断面拱脚、拱腰位置左右各1个测点，拱顶布置1个测点。板块拱脚4个测点，拱腰4个测点，拱顶1个测点，总计9个测点，如图11所示。

数据的监测频率随工程进度做出相应调整。首先将应变计黏贴到钢板上，记录初始值，在钢板拱架施工完成后，记录此时应变的变化值，在灌浆完成后记录此时的应变值，之后每隔1 h记录1次应力变化值，直至凝固后数据稳定。具体情况见表1。

表1 监测频率

此次应力监测主要采用表面式振弦应变传感器，振弦式应变计测量值ε为：

(1)

式中：ε为振弦式应变计发生的应变；K为振弦式应变计输出的频率值与应变的线性关系系数，也称为振弦式应变计的灵敏度系数，出厂已标定好，单位为1/Hz2；fi为振弦式应变计在i时刻下的频率值，单位为Hz；f0为振弦式应变计在初始状态的基准频率值，单位为Hz。

3.3 波纹钢板应力数据分析

监测结束后将采集到的数据进行处理，其中波纹钢板为Q 345C型钢，弹性模量为200 GPa。将应变计测得数据换算为应力值作为纵坐标，以监测时间作为横坐标，分为拱脚、拱腰与拱顶3个位置各绘制成图，图12为拱脚应力图。

波纹钢板护拱为压弯构件，图12所示的4条应力曲线对应图11测点布置中拱脚4处测点的数据变化，由此可看出，在2次灌浆过程中，拱脚处呈现特有受力特点。应力初始变化明显，在1 h开始初次灌浆，初次灌浆之后的3 h内为初凝阶段，此阶段波纹钢板首先受到灌入浆料的重力荷载，随着浆料的灌入，钢板所受压力逐渐增大，之后灌浆结束，在灌浆料凝固的过程中，水分的损失导致钢板所受应力逐渐下降。第4小时开始第二次灌浆，在第二次灌浆后，拱脚的应力值基本无变化，推测在第二次灌浆过程中，所灌浆料重力基本堆积在拱腰及拱顶附近，并未直接作用于拱脚部位。所灌混凝土浆为超流态型高强微膨胀灌浆料，虽然灌浆料产生的微膨胀力可使拱形结构产生挤压作用，并充当原衬砌结构与波纹钢板结构之间的填充部分，但是与灌浆料本身施加的重力影响相比，浆料在凝固过程中因为膨胀所产生的压力并没有对钢板造成太大作用，使得波纹钢板的拱脚所测应力值在第二次灌浆之后基本无变化。

由图13中4条拱腰应力曲线可以看出，在1～4 h第一次灌浆后，拱腰处有应力显示，说明拱脚处灌入的超流态型高强微膨胀灌浆料在充当原衬砌结构与波纹钢板结构之间的填充结构时，起到了连接作用，灌浆料产生的微膨胀力对拱形结构产生挤压。在第4小时开始第二次灌浆，拱腰处应力值显著增大。由于第二次灌浆分为拱腰、拱顶2次灌浆，灌浆持续时间较长，故从5～9 h内应力值仍在上升，并且由于灌入的速度与用量有变化，使得应力有一定的波动，之后随着第二次灌浆结束，拱腰和拱脚大致曲线变化相似，灌浆料逐渐凝固，拱腰处的应力逐渐下降并最终稳定。

由图14可以看出，在灌浆之后，拱顶处的应力逐步增大，之后随着灌浆料的凝固，应力逐渐下降，并最终稳定。

4 数值模拟及结构计算

采用有限元软件ANSYS建立二维平面应变模型，验算正截面抗压承载力，并对衬砌进行强度校核。

4.1 衬砌内力计算

根据实际结构和材料参数建立二维平面应变有限元模型。模型中原有衬砌和波纹钢板组成的组合衬砌由Beam 3梁单元模拟，土体采用Plane 42二维平板单元，锚杆采用Link 1杆单元。表2为围岩及衬砌材料的相关参数。

表2 围岩及衬砌材料的物理力学指标

在永久荷载+基本可变荷载作用下，衬砌结构典型轴力如图15所示。

由图15可知，轴力均为压力，在拱脚、拱腰和拱顶3个部位中，拱顶受压最小，拱顶到边墙底脚压力逐渐变大，拱脚最大压力为4 660.00 kN。

4.2 监测结果分析

在计算出混凝土衬砌的内力后，对衬砌的安全性能进行检查。对衬砌进行强度校核的计算式为：

KN≤αRabh

(2)

式中：N为衬砌某校核截面上的轴力,单位为kN；K为安全系数；α为轴力偏心影响系数；b为衬砌截面宽度，单位为m；h为截面厚度，单位为m；Ra为混凝土衬砌抗压极限强度，单位为MPa。

将现场应力监测数据换算后，与数值模拟结果比较发现，波纹钢板结构在应用于衬砌加固时，作用于拱腰与拱顶的压力与模拟结果中的结构压力相差不大，但拱脚部分的压力明显大于其模拟结果。

选取拱脚、拱腰和拱顶3个截面的监测数据，代入式(2)得出相关的安全系数见表3。

表3 监测数据安全系数

根据JTG D70—2019《公路隧道设计规范》，混凝土和砌体结构的强度安全系数见表4。

表4 混凝土和砌体结构的强度安全系数

由表3数据与表4数据对比可发现，拱腰、拱顶部位加固后满足安全要求，但拱脚位置不满足安全系数。分析相关原因可能有：

1)实际施工方法导致监测数据不准确。在波纹钢板到达施工现场后发现，厂家生产的钢板精度不够，与环螺栓连接孔位误差较大导致钢板间无法连接。为了在环与环之间连接螺栓，将孔位进行扩孔连接或焊接连接，并切割拱脚处不平整部位，在波纹钢板与角钢密贴后，将波纹钢板与角钢焊接在一起。采取以上措施之后，多余的螺栓以及焊接连接可能会导致施加在拱脚处的压力变大，从而被应变计采集到。

2)灌浆速度不稳定导致监测数据不准确。由于施工工期较短，在不耽误施工的情况下，应力数据监测是在波纹钢板安装结束后，与灌浆同步进行的。在灌浆过程中，如果控制不好灌浆速度，短时间内灌入浆料过多，会使得波纹钢板在连接处发生鼓胀，过量灌浆料堆积于拱脚部位，从而导致采集到的应力数据过大,如图16所示。

5 结论

本文以某隧道加固工程为例，通过对波纹钢板护拱应用于衬砌套拱加固技术的研究以及现场施工过程中相关数据的监测分析，主要得到以下结论：

1)存在较多横向纵向裂缝、混凝土掉块且渗漏水严重等多种病害同时发生的板块，使用波纹钢板加固技术，在修复衬砌裂缝的同时，不仅能提高衬砌结构的承载力，延长隧道的使用寿命，还不影响隧道限界、避免混凝土掉块对往来车辆的危害，保证行车安全。

2)波纹钢板施工结束后，灌浆料凝固，对波纹钢拱结构产生了一定的挤压作用，并使原衬砌结构与波纹钢板结构相互作用，形成完整的受力体系。

3)由分析结果可知，使用数值模拟软件能快速、准确模拟分析隧道围岩开挖支护受力情况，但在实际施工过程中存在数据偏差，如拱脚部位实际所受压力明显大于模拟结果。

4)使用波纹钢板加固后，拱腰及拱顶的安全贮备满足相关规范要求，但拱脚部位核算后并不满足安全要求。应加强隧道安全风险较大部位的支护，如拱脚部位及边墙基座结合部位，针对重点部位及危险程度，采取可靠的安全防护措施，严把施工质量关，预防隧道安全事故发生。

本文结合工艺特点、施工步骤以及数据分析比对等方面介绍了使用波纹钢板对隧道衬砌加固的方法。从数据分析来看，受钢板生产精度要求以及实际施工方法等方面影响，拱脚及基座等加固部位受力较大、受力情况复杂，同时由于施工工期较短，缺少位移监测数据，对于波纹钢板自身结构和受力影响还需要进一步研究。