基于隧道防水板切割衬砌混凝土的套衬补强研究

龚兴旺

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031； 2.交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

通过对近几年运营隧道检测和调查结果进行统计，发现隧道普遍存在衬砌拱顶防水板切割[1]衬砌混凝土问题，该问题实属隧道质量缺陷。虽短时内隧道仍处于稳定状态，但对于防水板切割衬砌拱顶混凝土，造成拱顶混凝土脱空程度较大、厚度较薄时，随围岩及材料劣化及周围环境的变化，很可能导致较薄衬砌开裂、掉块或脱空上方掉落冲击而影响运营安全，故必须对探明的问题进行处治。目前主要的修补方案包括格构法补强、套衬加固[2]、凿除重建甚至利用波纹钢[3]进行补强，本文只针对套衬加固补强方案进行研究，验证套衬补强方案的合理性。

1 工程概况

常家院子隧道全长305 m，最大埋深约47 m。本隧为客货共线，旅客列车设计行车速度200 km/h并开行双层集装箱单线隧道。除进口12 m采用明洞，其余采用复合式衬砌，III级复合式衬砌为C30混凝土厚35 cm。

隧区属剥蚀丘陵地貌，丘槽相间，地形起伏大，该隧道上覆第四系全新统坡(Q4dl+el)粉质黏土，厚度0～2 m；下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)泥岩夹砂岩，强风化带1～4 m。为单斜构造，洞身泥岩质软，岩层近于水平，节理发育，地下水不发育，地下水以孔隙潜水、基岩裂隙水为主，砂岩夹泥岩属富水性中等含水层组，对混凝土无侵蚀性。

2 缺陷情况及分析

沪蓉线常家院子隧道位于重庆市潼南境内，二衬混凝土设计厚度40 cm。防水板切割主要发生在左偏拱顶处。

K1750+212.5～+216.5(洞身标123.5～127.5)左拱腰防水板切割衬砌(防水板后为灌浆胶凝体)，导致衬砌表面敲击空响，空响范围长2 m×宽2 m，且被切割衬砌表面存在纵、环向网状闭合裂缝，裂缝最长达5 m、宽度2 mm，并有错台，且裂缝较上次检查有明显发展，裂缝延长约0.5 m(图1)。

图1 常家院子缺陷平面

3 加固方案

病害整治措施为套衬加固方案，套衬采用25 cm厚C40细石(自密实)模筑钢筋混凝土，需采取合理的配合比施工措施，保证既有线模筑混凝土浇筑质量。套衬施作前需将原有衬砌表面凿毛处理，凿毛后露出的新鲜混凝土面积不低于总面积的75%，凿毛面用清水清理干净，并不得积水，然后涂刷界面剂，以保证新旧混凝土连接良好，新旧混凝土面处理应符合Q/CR9207-2017《铁路混凝土工程施工技术规程》的规定。

在对缺陷部位开天窗凿除后，通过模筑混凝土修补受损的衬砌混凝土，再对衬砌缺陷部位设置整环套衬，保证结构具有极大的安全储备。套衬加固整治图及钢筋布置示意如图2所示。

图2 套衬加固整治

4 计算分析

4.1 计算过程

取隧道埋深40 m，隧道初支厚度20 cm，衬砌厚度40 cm，通过地层的地应力平衡得到初始地应力，结构-围岩荷载通过三维的地层-结构模型进行传递。地层围岩采用摩尔库伦模型，结构采用弹性模型，围岩与结构均为实体单元，分别考虑防水板切割衬砌混凝土时衬砌结构应力变化情况，并与开窗修补、套衬加固后衬砌结构的应力进行对比分析。

4.2 模型建立

通过建立三维有限元模型进行数值模拟计算，模型建立过程中对前后左右边界施加法向约束，模型底部施加竖向位移约束，顶部为自由面。模型长宽高尺寸分别为：90 m(L)×10 m(W)×80 m(H)，根据圣维南原理，模型边界取隧道半径的3～5倍以上，便可忽略边界效应对隧道结构应力的影响。数值模型如图3所示，防水板切割衬砌混凝土侧面如图4所示，数值模型套衬加固结构如图5所示。

图3 三维数值模型

图4 防水板切割衬砌侧面图

图5 套衬加固

4.3 计算参数

本计算所涉及到隧道结构混凝土及套衬混凝土参数取值见表1和表2。

4.4 衬砌结构内力分析

选取衬砌左偏拱顶缺陷部位，对该部位进行局部研究，分析该部位在这3个阶段下，衬砌结构的应力变化情况，从而验证套衬加固方案的合理性，具体的最大与最小主应力云图如图6～图8所示。

表1 结构计算参数

表2 围岩计算参数

图6 防水板切割混凝土时衬砌应力云图

图7 开窗修补后衬砌应力云图

图8 套衬加固后衬砌应力云图

对3个阶段下衬砌结构局部的最大与最小主应力进行数据统计，如表3所示。

表3 衬砌最大与最小主应力统计表 单位：MPa

由图6～图8、表3可知，防水板切割混凝土后衬砌结构的最大主应力为0.63 MPa(受拉)，且出现在防水板切割部位，最小主应力为-0.583 MPa(受压)；开窗修补后，结构的最大与最小主应力分别为0.046 MPa(受拉)，-0.181 MPa(受压)；在施作套衬后，衬砌结构的大小主应力分别为0.027 MPa(受拉)、-0.037 MPa(受压)。

相比于防水板切割，套衬加固后衬砌结构的最大与最小主应力均在大幅减小，而与开窗修补后结构的主应力相比，套衬加固能有效减小结构的最小主应力，最大主应力变化不大，即施作套衬后能有效提高结构的安全储备能力。

由表3可知：①衬砌及套衬结构的最大与最小主应力在以上三个施工阶段下均满足C30和C40混凝土抗拉和抗压强度设计值；②相比于衬砌切割混凝土时，开窗修补后衬砌结构的最大与最小主应力均有所减小；而在套衬加固后，衬砌结构的最小主应力有明显减小，最大主应力相比于开窗修补后略微增加。说明施作套衬能提高衬砌结构的安全储备能力。同时也验证了套衬加固方案在修补防水板切割混凝土时具有一定效果。

5 结论

经过数值计算可以得到结论：

(1)防水板切割衬砌混凝土时，结构的主应力会增大，说明结构整体的承载能力会减弱，结构劣化的可能性会增大，整个结构存在一定的安全隐患。

(2)套衬加固对结构的安全性和稳定性有明显提高，且能有效保证衬砌结构的安全储备能力。验证了套衬加固方案在整治防水板切割混凝土时具有一定效果和实际意义。

(3)套衬修补加固若按照加固方案进行施工组织，能高效地消除防水板切割等质量缺陷带来的运营安全隐患。同时套衬修补加固方案能有效提高衬砌结构的承载能力，保证结构与列车行驶的安全。