偏压连拱隧道结构加固方案的数值模拟研究.pdf

第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ，：收稿日期：修稿日期：基金项目：复合式中墙连拱隧道单洞工法施工病害防治关键技术研究（云交科教 ）作者简介：王雄（），男，高级工程师，主要从事岩土工程方面的研究。：偏压连拱隧道结构加固方案的数值模拟研究王雄，刘晓祥，毕钛俊（云南交投集团投资有限公司，云南 昆明 ；云南交投集团公路建设有限公司，云南 昆明 ；中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 ）摘要：高速公路边坡内偏压连拱隧道结构因地质条件或施工工艺等原因常出现墙壁开裂、拱变形等工程质量问题。为保障隧道结构安全，基于某连拱隧道结构工程及其特点，设计拱壁粘钢加固与型钢拱架加固两种加固方案，通过采用 软件数值建立数值模型，对比分析隧道结构加固前后围岩与隧道拱结构的应力应变特征并验证加固方案，计算结果表明，两种加固方案均可实现减小结构变形、降低结构应力的目标，结合工程实际施工环境和加固工艺措施，建议采取粘钢加固与型钢拱架结合的方式进行加固治理。研究结果可为类似结构设计与施工提供借鉴与参考。关键词：连拱隧道；应力；变形；加固；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；高速公路设计时由于连拱隧道结构的经济性较好，在交通建设中的应用越来越多。因地形地貌和结构自身特点，隧道结构在建成后常出现局部裂缝和变形等工程质量问题，甚至在建设过程中也会出现早期裂缝，严重危害到隧道结构的安全性和完整性。诸多学者针对连拱隧道结构的力学性能和加固方式展开了研究，李向凯等 对既有地铁结构下穿连拱隧道的预加固方案及开挖工法进行了比选研究。秦成伟 对大跨度连拱隧道下穿既有轨道交通线路扰动机理与超前预加固技术进行了研究。张成良等 研究某偏压连拱隧道的裂缝特征和发育特点，通过分析裂缝产生原因确定了合理的加固措施。刘凡 利用理论解析法、数值分析法并结合现场实测数据全面系统对比分析项目的地表变形。邵康 提出一种滑坡地段隧道局部加固结构，并研究了隧道加固结构的整体受力特点与变形趋势。徐春红等 依托工程实际运用 数值软件分析隧道管棚的超前支护特性及加固效果。段军等 基于某高速公路双连拱隧道洞口段围岩失稳监测数据，分析研究洞口段围岩的加固措施并取得成功应用；张成良等 结合现场地形地质条件、施工工艺、裂缝分布规律和发育特点及产生原因，确定了联合加固处理措施。李向凯等 采用有限元方法比较研究了双连拱隧道的下穿地铁 型槽预加固和开挖工法。等 研究并总结了常见的连拱隧道变形特点。也有研究者在杆系构件中安装光纤，并将其紧密贴合于隧道结构内侧实现连拱隧道的变形监测 。由于连拱隧道结构复杂、跨度大，两侧隧洞的开挖和支护交错进行，隧道围岩和支护结构受到多次施工影响和扰动，其力学行为十分复杂，加之连拱隧道设计段经常存在浅埋、偏压和地质环境复杂等不利条件使得连拱隧道的设计与施工都更为困难。与传统隧道双洞同步开挖方式不同，连拱隧道常采用先行与后行方式掘进，先行洞需承载后行洞以及钢拱架导致的偏压作用和后行洞爆破的振动效应，对先行洞的初支和二衬要求非常高。若施工工艺控制不当或地质条件异常等因素，常导致隧道结构中墙或其他部位出现裂缝开展，建成运营后隧道结构因受地下水侵蚀等影响对结构安全造成潜在威胁。图 所示为某隧道结构边墙裂缝扩展导致的局部破损。图 连拱隧道施工边墙开裂 隧道加固技术阐述结构工程加固常用方法有粘钢法、加大截面法、粘碳纤维布、体系置换法、植筋法等。加固方法的选择需兼顾承载需求、结构特征及施工便利等多种因素。隧道衬砌结构作为一种特殊的结构工程，需考虑自身力学承载机制和特征选取适用的加固方法。下面依据国内外有关隧道加固技术进展简要阐述隧道加固常用技术。裂缝处理根据国内外工程经验，当结构的细小裂缝对承载安全性影响较小时，若裂缝宽度小于 可用高强度密封砂浆在结构表面涂抹，保护内部钢筋防止氧化，并起到阻止裂缝发展的作用；若裂缝宽度大于 时，裂缝的存在可对结构钢筋和混凝土的性能造成影响，除需对裂缝进行表面封闭处理外，还应对裂缝内部空隙采用注射或高压灌注胶体等方法进行填充。具体可参考据程崇国等 统计运营公路隧道随机衬砌裂缝进行的相关研究，研究结果提出了针对无水和有水条件下的两类裂缝工程处治措施。嵌拱（轨）及钢带加固若隧道衬砌裂缝虽较多，但对隧道结构承载能力影响较小时，可采用钢带或嵌拱（轨）网片加喷射混凝土的方法进行结构加固。这一方法是将钢带（钢拱架或钢轨）埋设于衬砌结构的内环向形成环形拱构造，实现提升结构截面刚度效果，达到有效支撑衬砌结构目的。具体施工时可根据工程紧急程度或加固目的等因素选择直接凿槽安装在原衬砌内，也可施作于衬砌外。具体可参考吴梦军等 和肖中林等 针对这加固方式采取的凿槽嵌拱处治隧道裂损衬砌方法的工艺流程、施工要点研究。套拱加固技术套拱加固技术是指当隧道空间足够且衬砌结构存在一定的承载能力时，通过重新在既有隧道衬砌外施作套拱结构实现结构加固，不仅充分利用原有结构承载能力，而且将原结构与新结构紧密联合，实现共同承载围岩压力的目的。具体而言，按照施作空间的范围不同可将套拱结构加固技术分为整体式和和局部式。为保证新旧拱结构的连接安全可靠，需在加固施工前对结构混凝土进行局部凿除或表面处理。相关研究可参考刘学增等 根据试验研究提出的叠合式套拱受弯承水利与建筑工程学报第 卷载力的计算方法。衬砌换拱当原有隧道结构净空不允许时或已失去承载能力时，且采用前述加固方法无法达到隧道结构安全承载要求时，则需考虑对原衬砌结构进行结构替换。具体更换方式可分为整体全换和局部结构替换。科技的发展使得隧道换拱结构病害处治技术不断更新，各种新材料和新技术在交通工程中得到推广和运用，建筑结构加固技术中诸如喷射碳（钢）纤维混凝土加网片 、粘碳（芳纶）纤维板（布）法 、粘钢法 等方法也逐渐引入隧道结构加固工程中。根据上述常用的隧道结构加固技术可知，确定隧道修复技术方案时需综合考虑施工工艺复杂性、衬砌结构特征以及工程造价和营运压力等因素。综合选定的加固方案设计目标，一是有效提升结构自身承载力，二是阻止或预防其它如渗漏水等衍生病害。尤其在隧道建成后的运营养护期，因诸多不确定因素导致衬砌裂损和交通运行的运营压力巨大的背景下，便捷的加固处治技术更是有着广泛的应用前景。综合上述相关研究成果来看，诸多学者针对隧道结构不同部位的加固方式与加固效果进行了探讨。隧道结构在建成后的运营期，由于地质环境中地下水的侵蚀或地表改造等原因，导致初期支护体系钢筋容易锈蚀，加之混凝土老化及围岩流变效应等原因，原隧道结构部分支护锚杆或钢结构体系等将逐渐失效，原隧道结构即从初期支护体系为主的承载状态逐渐转变为由二次衬砌作为主要承载体系，因此对隧道结构二衬的承载性能及其变化规律进行研究就尤为重要。建成后的隧道结构，由于施工条件受限于空间，结构加固既需考虑增强结构承载力，也需兼顾运营期隧道结构的结构裂缝控制与后期维护。考虑隧道结构自身拱形构造特点，本研究拟采取拱壁粘钢加固与型钢拱架加固的方式，通过数值模拟计算对比隧道结构的加固效果，探究两种加固方式对结构承载的影响和加固性能差异，以便为工程结构加固的设计与实践提供借鉴和参考。连拱隧道加固方案数值模拟研究 工程概况某高速主路线全长 ，公路主线建设标准为双向四车道，路基宽度为 ，设计行车速度 。其中某连拱隧道为双向四车道，单幅全长 ，最大埋深 。隧道围岩部分为泥质粉砂岩、中风化泥岩、泥质粉砂岩，岩体裂隙发育、岩体破碎、岩质软，其他区段围岩主要由碎石土和粉砂岩组成，岩体呈中强风化，中厚层状构造，节理裂隙较为发育，岩体结构破碎且富水性较强，多呈碎石状体结构。经地质勘察级围岩段累计长度约 ，级围岩段累计长度约 。隧道结构左幅断面设计尺寸如图 所示。图 连拱隧道左幅断面截面设计尺寸 加固方案的数值模拟研究根据上述加固方法和工艺分析，结合连拱隧道结构特点和后期维护便利的需求，考虑采用加固施工速度快、加固效果明显的粘钢和型钢拱架加固两种方式进行数值仿真模拟，通过对比加固前后隧道结构和加固构件的应力变形变化特征，探索一种经济简便的连拱隧道加固方式。数值仿真采用 有限元软件，根据隧道所处地质条件，以及相关规范 混凝土结构设计规范（）、岩土工程勘察规范（）等，计算时确定材料参数取值见表 。为增大隧道结构承受的围岩荷载，呈现加固结构前后应力和变形的差异，围岩的弹性模量参数取值较低。表 数值模拟计算参数取值岩土名称天然重度（）弹性模量 泊松比围岩 连拱隧道（混凝土）钢材 隧道位于边坡下埋深约 处，边坡坡度 ，山体底部和四边添加约束后，连拱隧道的第 期 王雄，等：偏压连拱隧道结构加固方案的数值模拟研究数值模型如图 所示。其中，型钢采用梁单元 ，围岩采用实体单元 ，钢板采用壳单元 ，型钢加固模型单元总数 ，粘钢加固模型单元总数 。图 连拱隧道数值模型 粘钢加固粘钢加固方式，一方面增强了隧道拱形结构自承载能力，另一方面可以通过裂缝修补以及胶体与墙壁的紧密粘贴，起到防水隔水效果。结合工程实际和施工工艺考虑，经试算模拟后拟定粘钢加固钢板厚度 ，间距 。具体方案如表 所示。表 粘钢加固方案计算工况计算工况加固方式工况 无加固工况 粘纵向钢板（沿隧洞轴线方向）工况 粘横向钢板 仅先行洞工况 粘横向钢板 仅后行洞工况 粘横向钢板 同时粘以工况 和工况 为例，粘钢板部位的数值模型如图 所示。图 粘钢加固方案模型工况 工况 隧道结构混凝土和钢材的应力变形计算结果如图 图 所示，应力和位移单位分别为 和 。图 工况 隧道结构混凝土应力和变形云图图 工况 隧道结构混凝土、钢材的应力和变形云图图 工况 隧道结构混凝土、钢材的应力和变形云图粘钢加固方案计算结果（见表 ）显示，工况 工况 的加固方案在粘钢加固后隧道结构的混凝土拉应力均有所降低，隧道结构的变形减小，这表明粘钢加固隧道的加固效果明显。其中，混凝土拉应力极值出现在中墙下部基础部位，此外变形云图显示，在坡体偏压作用下，加固前后的隧道结构，靠近坡体深部的隧洞变形较大，浅部隧洞变形小，这表明由于偏压作用导致连拱隧道结构左右侧隧洞结构水利与建筑工程学报第 卷变形有明显差异。据此现象可知，若先行洞位于坡体深部时，需对深部隧洞结构的变形进行严密观测，严格控制工艺程序，谨慎施工。图 工况 隧道结构混凝土、钢材的应力和变形云图图 工况 隧道结构混凝土、钢材的应力和变形云图表 工况 工况 粘钢加固方案计算结果计算工况隧道混凝土最大拉应力 隧道混凝土最大压应力 隧道结构最大变形量 钢板或型钢 应力 工况 工况 工况 工况 工况 型钢拱架加固型钢拱架加固方式，一方面可显著增强隧道结构承载能力，但另一方面受限于隧道结构空间，拱型钢截面尺寸不能取值太大，初步拟定型钢拱架加固方式如表 所示。表 型钢拱架加固方案计算工况计算工况加固方式工况 粘横向 钢 仅先行洞工况 粘横向 钢 仅后行洞工况 粘横向 钢 同时粘拱架选择工字型组合截面 （），间距 。型钢拱架加固数值模型如图 所示。图 型钢拱架加固方案模型工况 工况 隧道结构混凝土和钢材的应力变形计算结果如图 图 所示，应力和位移单位分别为 和 。表为工况 工况型钢拱架加固计算结果。图 工况 隧道结构混凝土、钢材的应力和变形云图表 工况 工况 型钢拱架加固方案计算结果计算工况隧道混凝土最大拉应力 隧道混凝土最大压应力 隧道结构最大变形量 钢板或型钢 应力 工况 工况 工况 第 期 王雄，等：偏压连拱隧道结构加固方案的数值模拟研究图 工况 隧道结构混凝土、钢材的应力和变形云图图 工况 隧道结构混凝土、钢材的应力和变形云图上述工况 工况 的计算云图结果显示，型钢拱架加固方案的混凝土在隧道结构加固后拉应力和压应力均有所降低，隧道结构的变形也相应减小，这表明型钢拱架加固隧道的加固效果明显。其中，混凝土拉应力极值依然出现在中墙下部基础部位，此外变形云图显示在坡体偏压作用下，靠近坡体深部的隧洞变形较浅部隧洞更大。数值模拟结果分析从隧道结构混凝土的最大拉应力来看，粘钢效果优于型钢拱架方案；其中，对深部先行洞先进行加固效果更优，混凝土最大拉应力降低 ，后行洞先行加固混凝土最大拉应力降低 ，结合前述隧道结构变形云图来看，先行加固深部隧道更为合适。除工况 以外采取粘钢或型钢拱架的加固方案后隧道结构混凝土应力降低，隧道结构变形较小。工况 因钢板沿着隧道轴向即纵向粘贴，未能形成隧道承载的拱效应，并因此导致中墙粘钢部位刚度增大并引起混凝土应力异常。但从隧道混凝土最大压应力来看，纵向粘贴钢板可有效降低隧道结构的混凝土压应力，可考虑作为加固方案的辅助构造措施。从隧道结构混凝土最大压应力来看，粘钢加固可略降低其应力值，型钢拱架方案则相反，混凝土压应力值略有增加。从隧道结构最大变形量来看，粘钢加固与型钢拱架方案加固效果相当，且因围岩弹性模量参数取值较低，表中数据显示加固后隧道结构的最大变形量减小幅度约为 ，这表明对于较弱的围岩地质条件，隧道结构加固后的变形量将显著降低。从隧道结构钢板承载后的应力水平来看，工况和工况 对深部先行洞加固后钢板的应力大于对后行浅部隧洞的加固工况 和工况 。若先行洞与后行洞同时加固，则效果等同于加固先行洞。考虑连拱隧道深部隧道变形大于浅部隧洞，且数值计算时围岩参数取值较低，建议工程实践时先行洞与后行洞同时进行加固。结论综上所述，通过对连拱隧道结构进行粘钢加固与型钢拱架加固的数值计算分析，形成主要结论如下：（）数值计算云图与计算结果的对比研究表明，粘钢加固与型钢拱架方案均可有效降低隧道结构应力水平，减小隧道结构变形。（）两个加固方案比较而言，粘钢加固时隧道结构混凝土拉压应力水平较型钢拱架加固方案更低，考虑型钢拱架可为粘钢加固时提供侧边约束，加固处理可将两种方式进行联合设计。（）连拱隧道深部先行洞与浅部后行洞加固顺序对结构混凝土应力有影响，考虑实际围岩条件下围岩参数取值变大，综合比较隧道结构变形趋势和钢板应力水平因素，建议对两个隧道洞进行同时加固。参考文献：李向凯，陈禹勋，史少华，等 双连拱隧道下穿既有地铁结构预加固方案及开挖工法比选研究 水利与建筑工程学报，（）：秦成伟 大跨度连拱隧道下穿既有轨道交通线路扰动机理与超前预加固技术研究 西安：长安大学，水利与建筑工程学报第 卷 张成良，李珍，叶丹勇，等 偏压连拱隧道二衬开裂加固措施及实施效果分析 工程勘察，（）：刘凡 浅埋偏压连拱隧道管棚作用机理与支护参数优化研究 重庆：重庆交通大学，邵康 滑坡地段隧道局部加固结构研究 成都：西南交通大学，徐春红，简庆华，徐华兴 连拱隧道管棚超前支护受力特性及加固效果研究 公路交通科技（应用技术版），（）：段军，王宾 双连拱隧道洞口段围岩失稳的加固技术研究 西部探矿工程，（）：，张成良，李珍，叶丹勇，等 偏压连拱隧道二衬开裂加固措施及实施效果分析 工程勘察，（）：，（）：，（）：，：程崇国，郭军 公路隧道衬砌裂缝处治对策 公路交通技术，（）：，吴梦军，张永兴，刘新荣 公路隧道病害处治技术研究 地下空间与工程学报，（）：肖中林，曲家新 凿槽嵌拱处治隧道裂损衬砌技术 中华民居，（）：刘学增，桑运龙，包浩杉 叠合式套拱加固带裂缝隧道衬砌受力机理分析 土木工程学报，（）：穆富江 喷射 力学性能及其加固应用研究 杭州：浙江大学，侍军浩 偏压荷载作用下隧道衬砌裂损失稳规律及 加固方法对比分析 石家庄铁道大学，朱明勇，耿欧，孙倩，等 内粘钢板法加固盾构隧道衬砌管片的力学性能试验研究 特种结构，（）：檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷 （上接第 页）闫超君，孙林松 基于应变能与模糊贴近度的拱坝体形稳健优化设计 水利与建筑工程学报，（）：朱伯芳，高季章，陈祖煜，等 拱坝设计与研究 北京：中国水利水电出版社，：张晓飞，李守义，陈尧隆 碾压混凝土拱坝温度场计算的浮动网格法 土木工程学报，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：第 期 王雄，等：偏压连拱隧道结构加固方案的数值模拟研究