W钢带在衬砌裂损隧道加固中的应用

李 灵

（山西交通科学研究院集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隧道工程属于地下工程，具有隐蔽性强、不可预见性强、施工环境差、施工条件限制、危险因素多、地质复杂多变、时效性长等特点，施工中有许多非人为原因造成隧道二次衬砌欠厚的质量缺陷情况[1]。我国隧道建设发展速度快，建设体量庞大，随着隧道服役时间增加、衬砌材料老化、围岩地质环境变化等原因，隧道衬砌将出现越来越多的结构性病害，并产生较大的交通安全隐患，2020年6月10日，四川雅安市雨城区青鼻山隧道中段隧道二衬洞顶处约10 m2局部脱落，砸中一辆面包车，造成驾驶员1人死亡。

衬砌结构病害直接威胁隧道结构的可靠性，对隧道结构及隧道内车辆的行驶安全造成隐患，使隧道的适用性减弱，病害发展则会降低隧道结构的耐久性。对于衬砌加固采用的方案要具有较强可操作性，且与施工条件、施工材料及工艺密切联系，衬砌加固补强要尽可能地保持原来结构的完整性[2]。近年来隧道病害处治已引起管理人员和技术人员的高度重视，隧道病害处治和加固成为隧道工作者新的研究方向，碳纤维、钢带、纤维混凝土、结构胶、波形钢板、型钢等在隧道结构性病害加固中得到了广泛的应用，尤其是W钢带具有强度高、厚度薄、加工容易、施工速度快、空间占用小等优点，在隧道病害处治加固中得到了广泛的应用。

1 结构形式

W钢带横断面为“W”形，是一种新型的隧道病害加固支护材料，由于冷轧硬化的作用,与普通钢带相比，它具有更高的抗拉强度、抗弯模量和刚度[3]。W钢带与锚杆、锚栓相结合形成肋拱形承载结构，显著提高原隧道衬砌结构承载能力。常用截面宽度为:180 mm、200 mm、220 mm、250 mm、280 mm、300 mm；厚度为2.5 mm、2.75 mm、3.0 mm。W钢带具有以下优点：

a）具有较高的抗拉强度、抗弯模量和刚度。W钢带与平钢带相比抗弯截面模量提高37倍；不易撕裂，刚度提高70倍左右，冷轧过程中的硬化作用，抗拉强度提高12%～15%。

b）宽度为 180～300 mm，厚度为 2.5～3.0 mm，施工中结合黏结剂和锚栓安装，与隧道衬砌贴合紧密，具有板材轻便、贴合度高、支撑受力迅速、协调变形能力强、施工便捷、对交通影响小等特点。

c）几乎不占用隧道空间，隧道建筑限界宽度《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3307.1—2018）的规定较《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）宽，因此早期修建的隧道断面相对较小、建筑限界难以达到新规范要求，在此情况下采用W钢带加固具有明显的空间优势。

d）采用的化学锚栓一般长度为16 cm，不会破坏防水层，施工后不会产生新的病害。

图1 一般隧道用W钢带截面（单位：mm）

图2 W钢带加固设计图（环向）

图3 W钢带加固设计图（纵向布置）

2 加固机理

W钢带加固法是在病害隧道衬砌结构的内表面环向粘贴W钢带，采用锚栓固定，并利用纵向钢板的连接使得各环向W钢带形成联系，协同受力；利用W钢带的高强度、高刚度特性形成肋拱结构，达到从隧道结构内表面加固隧道结构的目的，W钢带加固主要适用于隧道二衬结构发生开裂、变形，二衬强度不足等情况。

W钢带加固隧道结构是混凝土（或钢筋混凝土）与钢带两种特性不同的材料经黏合剂、锚栓连接为一体，当隧道衬砌结构在围岩压力、水压等作用下产生变形时，隧道结构内表面产生相应的内鼓、错位、扭曲等形变，W钢带依靠其与混凝土之间的黏结强度和锚栓的咬合强度，以及W钢带的抗压、抗剪、抗弯能力承受二衬结构传递出来的压力；同时，W钢带抵抗隧道结构的变形作用增强了隧道结构的嵌合作用，使得隧道结构整体性增强，抵抗围岩变形的能力也相应增加。W钢带粘贴在隧道二衬内表面形成肋拱结构，限制围岩变形和裂缝的发展，与隧道结构成为一体，共同承受围岩压力，协同变形，使得隧道结构在处治后趋于新的稳定状态。W钢带正截面承受弯矩如：

式中：M为衬砌弯矩设计值；x为受压区衬砌高度；b、h为计算矩形截面的宽度、高度；Asp、Asp'为W钢带受拉横截面面积、受压横截面面积；As0、As0'为W钢筋受拉横截面面积、受压横截面面积；fsp、fsp'为W钢板抗拉强度设计值、抗压强度设计值；a'为受压钢筋合力点到横截面近边的距离；h0为原构件截面有效高度；ψsp为由于二次受力影响，受拉钢板的折减系数，当ψsp＞1.0时，取ψsp=1.0；εcu为衬砌混凝土极限压应变，取εcu=0.0033；εsp0为考虑受拉钢板的应变滞后，若不考虑二次受力影响，取εsp0=0。

3 施工工艺

3.1 混凝土基面处理

根据设计文件W钢带和纵向钢板位置、厚度，在隧道二衬混凝土表面进行铣刨刻槽处理，保证粘贴基面平整圆顺，要求平整度小于等于1.5 mm/m。采用高压风枪将混凝土铣刨表面清理干净。

3.2 钢带制作

a）W钢带和纵向钢板根据设计文件采用工厂压制、剪裁成型。

b）W钢带和纵向钢板黏结面须具备一定的粗糙度便于黏结，施工现场采用除锈机打磨使得钢板露出金属光泽，并用脱脂棉沾丙酮将W钢带和纵向钢板表面擦拭干净。

c）施工现场依据设计要求在隧道二衬、W钢带和纵向钢板上放样钻孔。

3.3 安装工艺

a）配制锚栓胶，在二衬钻孔位置埋植全螺纹锚栓。

b）采用隧道专用台架固定纵向钢板，在二衬纵向刻槽表面和纵向钢板上涂刷胶黏剂，固定安装纵向钢板。

c）采用隧道专用台架架设固定W钢带，在二衬环向刻槽表面和W钢带上涂刷胶黏剂，固定安装W钢带。

d）经检验确认W钢带（钢板）与二衬结构粘贴固化密实效果可靠后，清除钢带表面污垢，在W钢带（钢板）外露面涂刷面漆4道进行表面防腐处理。

4 工程应用及效果

临汾至吉县（壶口）高速公路于2009年8月开工建设，2012年8月通车。自2013年7月出现病害以来，于2014年和2015年实施了两次病害处治，但病害段落衬砌变形一直未收敛，同时还发展至邻近段落。2020年实施了高家河隧道专项病害处治工程，其中隧道左线ZK994+590—ZK994+680段左侧拱肩存在3～5 mm纵向通长裂缝，裂缝基本贯通，同时分布有其他纵向、斜向、环向裂缝。隧道二衬为钢筋混凝土结构、设置仰拱；该段采用粘贴W钢带的加固措施（图4、图 5）。

图4 W钢带加固设计

图5 W钢带施工中

高家河隧道病害处治工程于2020年8月完工，经过近2年的运营，W钢带已与隧道结构融为一体，有效抑制了隧道变形的发展。隧道裂缝处通过贴玻璃片进行监测，2020年10月以来，26处贴片仅断裂2处；通过预留监控量测点进行隧道二次衬砌断面变化监测显示（见表1），进行W钢带加固处治后的2020年10月—2021年9月间，3个监测断面隧道衬砌变形量均在1 mm以内，与之前监测数据对比，隧道二衬变形已明显收敛，表明隧道结构已处于安全状态，W钢带在处治高家河隧道结构病害中取得了良好的加固效果。

表1 高家河隧道二次衬砌监测变形值

5 结语

二衬厚度不足、开裂、变形是隧道中常见的病害，病害隧道也多在《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3307.1—2018）颁布之前建设，隧道断面难以达到新规范要求。W钢带加固法以其高强度、加固效果好、不侵占建筑限界、造价低、施工便捷、工期短等优点很好地满足了公路隧道病害处治中保障畅通、施工迅捷、不得侵限、经济性等要求。近几年的实践表明，W钢带加固能显著提高隧道二衬结构强度，有效减缓隧道变形和裂缝发展，达到处治类似病害的目的，在工程中得到了广泛的应用，并产生了良好的社会经济效益。