基于山岭隧道衬砌厚度不足缺陷的病害整治方案研究

龙浩然

(武汉地铁集团有限公司,湖北 武汉 430077)

0 前 言

目前针对二次衬砌厚度不足缺陷，主要原因是背后脱空、断面欠挖或施工本身原因。玻璃纤维混凝土作为新型复合材料，近些年在建筑行业发展较快，但作为隧道二次衬砌厚度不足病害补强措施的应用较少。研究表明合理掺入玻璃纤维可提高混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度[1]，可弥补普通喷射混凝土作为二衬补强材料在强度、韧性、抗裂性等方面的不足。综上，有必要针对利用玻璃纤维混凝土作为山岭隧道衬砌厚度不足补强材料方案进行研究。

1 隧道概况及病害情况

某隧道为双洞单向公路隧道。隧道主要穿越强风化花岗岩，埋深0～75 m。由于现场施工原因，隧道部分段落(ZK2+482～ZK2+494段)衬砌厚度明显不足，且存在裂缝发展情况。相关检测公司针对隧道缺陷段进行了二次衬砌厚度的检测，通过二衬混凝土厚度雷达图可知该段的拱顶衬砌厚度均值约30 cm，左右边墙衬砌厚度均值40 cm，与原设计厚度相差10～20 cm，原因在于拱部衬砌背后脱空以及断面整体欠挖。经查阅涉相关资料，该缺陷段采用为Ⅴa型复合式衬砌结构，其中二衬设计强度为C30，设计厚度为50 cm。

1)衬砌结构安全性评价。衬砌厚度不足等质量缺陷对结构的安全影响较大。衬砌安全评价应明确病害段衬砌结构的安全系数，并结合规范要求进行综合判断。

2)典型缺陷断面数值分析。

(1)计算模型。选取典型断面进行分析，该断面埋深67.4 m，采用有限差分软件，模型中围岩采用弹塑性材料，满足Mohr-Coulomb屈服准则，支护结构采用弹性材料，材料全部采用实体单元模拟，模型网格划分图见图1。

(2)计算参数选取。计算中岩土体物理力学材料参数以地质钻孔勘察报告和经验取值为依据。模拟中，假定拱顶处二衬厚度为30 cm，左右边墙脚处为40 cm，两位置之间的二衬厚度均匀渐变；且拱顶脱空部位已注浆密实，衬砌与围岩密贴。具体计算参数取值见表1。

图1 模型网格划分图

表1 模型中主要物理参数

(3)内力计算结果。根据数值计算结果，求得衬砌结构的轴力和弯矩，绘制隧道典型缺陷断面二次衬砌的轴力及弯矩图，如图2所示。

图2 病害段衬砌内力图(单位：kN·m)

(4)安全性检算。根据隧道左线衬砌缺陷情况资料，针对其局部范围内存在的二次厚度不足问题，依据《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)[2]，参考荷载-结构法检算衬砌结构的安全系数，其中钢筋混凝土抗压(ky)或抗弯安全系数(kw)最小值取2.0。根据检算结果作安全系数分布见图3。

图3 安全系数(kw)分布图

由衬砌单元检算结果及图3可知，衬砌安全系数不符合规范要求的单元位置集中在拱部与边墙，其中边墙处单元全部检算不合格，部分拱部边缘单元检算不合格，且拱部其余检算合格的单元，其安全储备均很小，安全系数最高未超过2.1，应考虑针对性补强处理。

2 衬砌厚度不足整治方案

由检算结果可知，在拱顶脱空部位已注浆密实的条件下，边墙处单元全部检算不合格，部分拱部边缘单元检算不合格，且拱部其余检算合格的单元，其安全储备均很小。综合隧道围岩等级、病害范围及程度、施工进度等因素，考虑病害段脱空部位先采用注浆填充，再采用拱部、边墙部位挂网喷纤维玻璃混凝土补强加固二次衬砌的措施，以改善衬砌厚度不足区域的结构受力及裂缝发展情况。

本次整治方案中的喷射混凝土采用玻璃纤维混凝土，强度应不小于原二衬强度(采用C30)，考虑现场施工和限界问题，在拱顶至边墙脚二衬表面打设钎钉，挂网后均匀喷射20 cm厚玻璃纤维混凝土进行整治。具体步骤如下：①对衬砌背后脱空部位进行注浆充填；②清理二衬表面并打磨粗化，以提高界面粘接强度；③机械打设钎钉并布设钢筋网；④由熟练的喷射手进行喷混凝土施工，注意喷混凝土厚度应尽量达到均匀一致；⑤养护完成后，进行喷混凝土表观粗糙度处理，注意与正常衬砌段落的过渡应自然美观。

3 整治方案比选及现场施工效果

1)整治方案数值分析。加入玻璃纤维后，混凝土的强度较原混凝土必然有一定提高，综合文献[3-4]和规范[2]中对C30喷射混凝土强度的建议值，在建模时采用了如表2所示的计算参数。

表2 玻璃纤维混凝土(C30)主要物理参数

2)整治方案效果分析。由图4可知，各工况下的最小安全系数值均在墙脚部位，整治前隧道边墙脚部位最为薄弱，整治方案中全环二衬单元的安全系数值满足规范要求，且在边墙和拱部范围内衬砌安全系数有较大提高。因此，采用钎钉挂网喷射玻璃纤维混凝土进行衬砌结构补强的方案是可行的。

图4 安全系数(kw)对比图

3)现场施工情况。结合现场配比试验结果，考虑工程经济性和结构安全性，材料在原C30喷射混凝土的基础上掺入6 kg/m3的玻璃纤维时较为合理。现场喷射纤维混凝土的施工流程见图5。

图5 喷射玻璃纤维混凝土施工流程图

现场喷混凝土施工后，虽然平整度较模筑混凝土有一定差距，但对比衬砌变形及表面裂缝监测结果，发现病害整治段衬砌服役表现并不逊色于正常段，尤其表现在裂缝发展规模及裂缝大小方面，这也是玻璃纤维混凝土抗裂性能优越的体现。

4 结论与建议

本文主要结合理论公式和数值分析手段，对衬砌厚度不足缺陷段采用玻璃纤维喷混凝土整治前后隧道衬砌结构的安全性进行了评价，得出主要结论如下。

1)采用专项玻璃纤维喷混凝土方案对衬砌缺陷断面进行整治后，相应区段衬砌结构安全性明显提升，安全系数满足公路隧道设计规范的要求。

2)采用钎钉挂网喷射玻璃纤维混凝土进行衬砌结构补强总体是可行的，通过合理的喷射玻璃纤维混凝土补强处理，病害整治段衬砌结构服役表现良好，尤其表现在裂缝发展规模及裂缝大小方面。

3)建议在利用玻璃纤维混凝土进行衬砌病害整治前，通过多组配合比试验、力学试验和喷射效果试验，确定最优玻璃纤维掺量和其他材料用量，以达到理想的整治效果。

[ID:013328]