W型钢带加固方案及其对隧道衬砌安全性的数值模拟分析

党晓宇

（甘肃天成道桥勘察设计有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

近年来，我国公路隧道数量越来越多，一部分隧道已进入加固维修期。隧道建成后，随着运用时间的增长，衬砌裂缝、渗水等病害时有发生，严重影响着隧道行车安全和正常运营。快速安全有效地处治隧道衬砌裂缝病害，确保隧道衬砌安全稳定，已变得尤为迫切[1-3]。本文主要依托甘肃地区秦州隧道洞内衬砌裂缝病害处治工程，利用数值模拟分析，计算分析钢板加固方案对提高隧道衬砌安全性的效果，研究W型钢带加固方案的可操作性。

1 隧道概况

1.1 隧道病害现状

隧道位于甘肃省天水市关子镇西北边，分上下行四车道双洞通过，隧道全长4610m（双洞），最大埋深184m，纵坡为+2.5%和-2.18%，属岩石山岭深埋特长隧道。根据隧道病害检测资料，该隧道典型病害主要为二衬纵、环向裂缝，主要分布在两侧边墙。

1.2 隧道地质环境

（1）地形地貌。该隧道地处陇西、陇中黄土高原丘陵沟壑区，黄土梁峁起伏，沟壑纵横，地势由西南向东北倾斜。拟建路线地貌可划分为黄土堆积侵蚀梁峁地貌、黄土堆积侵蚀长梁地貌和河谷平原地貌，其中以河谷平原地貌为主。

（2）地质水文。项目位于甘肃中西部的黄土高原，泥石流冲沟普遍比较发育，几乎没有植被，存在严重的水土流失，地面表层几乎为黄土层。路基填料多用黄土，部分路段湿陷性黄土发生沉陷。隧道位于陇西系旋卷构造和北西西向构造，即祁、吕、贺山字型构造前弧西翼东段的复合部位，地质构造比较复杂。沿线大部分为河谷线，地表水及地下水均较发育，唯黄土高原区由于降水量小，垂直补给少，黄土含水性差，因而地下水分布较小。地下水含水类型可分为两大类：河谷平原潜水，黄土丘陵潜水。项目区内河流属黄河主要支流，有渭河水系和祖历河水系。主要河流有耤河、渭河、关川河。

（3）气候。隧址区沿线按公路自然区划为Ⅴ1区（秦巴山地润湿区），属暖温带亚湿润气候，降水集中。沿线年平均气温10.8～12.9℃，最热月平均气温23.1～30.8℃，最冷月平均气温-0.3～0.5℃；极端最高气温：32.8℃，极端最低气温：-17.4℃；平均相对湿度68%；年平均降水量400～600mm；一次最大降雨量88.1～169.7mm。

（4）地震活动。本项目公路沿线的地震动峰值加速度0.15～0.30g，地震反应谱特征周期为0.40～0.45，相当于地震烈度Ⅷ度。公路工程构造物应采取提高一级抗震设防措施。

2 加固方案的实施

根据二次衬砌病害情况，在二次衬砌结构整体稳定的前提下，为保证衬砌结构安全储备，对二次衬砌采用W型钢带加固（见图1所示），其环向受力条带采用宽20cm，长1.5m的W型钢带，钢带厚度为5mm，搭接20cm，纵向间距为50cm。加固方案涉及多个环节，具体分述如下。

图1 隧道W型钢带加固示意图

2.1 粘接钢带

利用特种结构粘钢胶将加工好的W型钢带与隧道混凝土衬砌粘接，W型钢带纵向搭接长度不小于20cm，搭接处W型钢带在用粘钢胶粘贴后，还需用高强膨胀螺栓连接。搭接位置尽量避免选在衬砌有裂缝处，以确保加固效果；W型钢带环形向搭接长度也不小于20cm，搭接处W型钢带在用粘钢胶粘贴后，用高强膨胀螺栓连接。搭接位置尽量选在衬砌无损伤破坏处，确保加固后隧道衬砌整体安全稳定，为后期隧道行车提供安全保障。

2.2 钢带表面防腐处理

在W型钢带加固完毕后，应按照公路隧道加固等相关规范对加固效果进行检测，并检查W型钢带加固施工质量，在确保加固质量合格后，对钢带表面喷刷防腐漆和涂刷装饰层，确保钢带美观抗腐。

2.3 W型钢带安装施工流程

（1）粘贴表面预处理：为了提高钢带和隧道衬砌的紧密贴合力，防止脱空，确保钢带加固效果，在加固前对钢带和衬砌表面进行清洁处理，对于混凝土衬砌表面不平整的应用打磨机进行磨平处理，确保表面能够与钢带无缝粘贴。

（2）钢粘胶调试：为了确保结构钢粘胶粘贴效果，一次调胶量不宜过大，一般控制在8～9kg内，且每次调试必须确保钢粘胶搅拌均匀，在每次正式加固前必须进行粘贴试验以确保加固效果。

（3）W型钢带纵向、环向搭接长度不小于20cm，搭接处W型钢带在用粘钢胶粘贴后，还需用高强膨胀螺栓连接。搭接位置尽量避免选在衬砌有裂缝处，以确保加固效果，使钢带融入衬砌结构中整体受力，确保隧道结构安全稳定。

2.4 高强膨胀螺栓安装流程

（1）钢带开孔：高强膨胀螺栓安装时，需在W型钢带上提前打孔，相邻钻孔间距为70cm。

（2）钢带安装过程中注胶，安装螺栓：注胶管插至孔底注入粘钢胶，随着胶体的注入缓慢匀速拔出注胶管，接着将高强螺栓迅速插入孔中，为了确保连接效果，螺栓尽可能多地插入钻孔中。

（3）应实时监测高强螺栓抗拔力，在确认其达到100kN后，将钢粘胶涂抹在螺母附近，对螺栓进一步固定，以确保螺栓连接效果，确保隧道行车安全。

2.5 加强量测

在隧道加固过程中，应对围岩和支护进行量测，必测项目：结构病害状况观察，周边位移，拱顶下沉。对于现场检测的实时数据应及时反馈给设计方，根据监测数据反应的围岩稳定情况实时调整加固方案，确保隧道加固过程安全。

现场测量人员应每天对量测数据资料进行整理，如发现隧道存在位移变化、裂缝展开、错台严重等现象，应及时采取有效的临时支撑，保证隧道稳定，并立即报告相关单位，研究和采取合理的处治方案。

2.6 加固注意事项

隧道加固实施前，应认真核对设计图，重视各项施工准备工作，应认真核对隧道处治方案中隧道衬砌病害描述是否与现场一致。施工中应时刻注意隧道洞内外安全情况，并结合实际现场情况制定安全可行的施工组织方案，特别对于正常通行的隧道，应做好施工期间保通措施，对现场人员、设备加强管理。

3 W型钢带加固数值分析

针对上述加固处治方案，采用荷载结构法对其受力进行计算，并分析结构的应力应变。

3.1 计算参数

围岩的物理力学参数是按地勘报告中各级围岩的物理力学参数标准值选取。支护结构的力学参数根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3307.1 —2018），结合工程及计算经验选取[4-7]。其中钢带等效为二衬模筑混凝土，其弹性模量通过公式折算得到E=36.8GPa。容重通过公式 ：，折算得到γ=26.7kN/m3，计算模型材料参数如表1所示。

表1 计算模型参数

3.2 有限元模型

此次计算采用二维平面应变模型，计算断面为Ⅴ级围岩，埋深184m，属于深埋隧道，有限元模型的半宽和半高大致取为洞宽和洞高的3～5 倍即可，本模型为横向80m，竖向88m。为了简化计算，在此平面模型中锚杆用围岩加固区来模拟，并将钢带等效为二衬模筑混凝土。围岩和围岩加固区用平面单元模拟，初支和二衬（含钢带层）用梁单元模拟。对于模型边界约束，上部边界自由，左、右边界受到水平约束，下部边界受到竖向约束[8-10]。具体模型单元示意图如图2所示。

图2 模型单元示意图

3.3 结构内力及变形分析

计算所得结构最大竖向位移为1.05mm，发生在拱顶。二衬（含钢带层）的内力如图3所示，二衬（含钢带层）的整个拱圈与边墙均承受压力，最大受压轴力发生在两侧的拱脚处，数值为3.69MN；二衬（含钢带层）的最大正负弯矩均出现在拱脚处，最大正弯矩数值为388.9kN·m，最大负弯矩数值为-388.9kN·m。由此可看出，加固后的隧道结构位移、弯矩及应力均较小，并满足《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3307.1 -2018）相关要求，因此可以认为W型钢带加固处治方案能够很大程度提升结构稳定性，符合规范相关要求。

图3 衬砌结构内力图

4 结束语

本文针对秦州隧道衬砌裂缝病害问题，在二次衬砌结构整体稳定的前提下，为保证衬砌结构安全储备，对二次衬砌采用W型钢带加固。基于加固方案，分析隧道衬砌的安全性，结论如下：

（1）隧道在正常荷载作用下二衬为承压结构，最大受压轴力、最大弯矩均出现在拱脚处，表明隧道应力集中位于隧道拱脚区域范围，此处为隧道受力的薄弱位置，建议设计施工中加强对隧道拱脚的支护，确保隧道拱脚安全稳定。

（2）钢带加固后的隧道结构位移、弯矩及应力均较小，满足规范相关要求。因此可以认为W型钢带加固技术能够很大程度提升隧道结构稳定性，由于其占用空间小、加固效果良好、施工方便、经济性好等优势，可以作为隧道衬砌裂缝处治的选择，为以后隧道类似病害处治提供借鉴。