马道岭隧道套拱加固设计及计算分析.pdf

文章编号:():./.马道岭隧道套拱加固设计及计算分析李宇翔田听雨(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市)摘 要:以绥珠线马道岭隧道提质升级为背景通过现场检测获取其主要缺陷信息采用“裂缝修补 衬砌背后空洞注浆回填 钢拱架套拱”方案对衬砌开裂段进行加固处理 通过 有限元计算软件对裂缝产生的机理及套拱施做后的安全性进行计算结果表明二衬叠合式套拱方案安全有效 关键词:马道岭隧道套拱加固衬砌开裂安全系数中图分类号:.文献标识码:随着我国在役公路隧道里程及运营年限的不断增长隧道运营的安全性和舒适性受到社会各界的广泛关注 文章以绥珠线马道岭隧道提质升级为背景对隧道衬砌裂缝的产生机理及治理方案进行分析并确定以“裂缝修补 衬砌背后空洞注浆回填 钢拱架套拱”的方案对衬砌开裂段进行加固处理 工程概况马道岭隧道位于葫芦岛市建昌县境内按二级公路标准进行设计为单洞双向通行隧道设计时速/年建成通车 隧道断面采用曲墙式三心圆拱型结构 隧道全长 埋深 隧址山体构造简单以中风化带和微风化白云岩为主原设计中洞身大部分处于微风化白云岩中但节理裂隙发育区内汇水面积不大地下水类型为基岩裂隙潜水受大气降水补给储水条件差易于排泄隧道按照新奥法原理建设暗洞采用复合式衬砌初期支护采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网形式二次衬砌采用模筑混凝土初期支护与二次衬砌之间设防排水夹层 主要病害.衬砌破损在提质升级施工过程中 .段右侧拱腰衬砌出现较严重裂缝且发展较快现场检测时发现 .段裂缝已贯通且宽度较大其中 段衬砌开裂较为严重裂缝宽度约为 裂缝局部边角破损同时有错台现象错台高差约为 (裂缝下端衬砌突出)通过探测其深度最大约为 可能存在裂缝开裂倾斜甚至转向情况同时 段右拱腰、段右拱腰衬砌剥落破损严重混凝土衬砌结构已开裂其中 段局部混凝土已发生掉落 现场二次衬砌表面裂缝见图 图 现场二次衬砌表面裂缝.衬砌背后存在松散或空洞分别在拱顶、左拱腰、右拱腰处共布置 条测线检测结果显示初期支护、二衬背后出现不同程度的不密实等现象 其中右侧拱腰病害较严重深度范围最深至 在 右侧边墙距离路面.处采用水平钻进行钻孔取样钻孔揭示二次衬砌满足设计北方交通 年 第 期表 部分板块地质雷达检测结果管养桩号测线位置病害类型深度范围/拱顶二衬背后不密实 右拱腰二衬背后不密实 右拱腰初期支护背后不密 要求 但二衬背后土体破碎 同时在对 .段原有二次衬砌进行拆除换拱作业时右侧拱腰至拱顶处发生塌方塌方约 塌方高度约 塌落体以碎石为主据此分析可知马道岭隧道部分洞身背后的中风化白云岩在隧道运营期风化成为松散体已达不到原设计的三类(四级)围岩要求.二次厚度不足病害检测范围内右拱腰实测厚度二衬厚度合格率为.拱顶实测厚度二衬厚度合格率为.左 拱 腰 实 测 厚 度 二 衬 厚 度 合 格 率 为 左拱腰、右拱腰、拱顶二衬厚度合格率较低其中 段二衬最薄处仅为厚度严重不足检测结果见表 表 部分板块地质雷达检测结果管养桩号设计厚度/实测厚度/右拱腰拱顶左拱腰左侧墙 右侧墙 加固方案根据马道岭隧道衬砌开裂病害的情况分析同时结合施工可行性、运营安全性和养护便利性考虑确定采用“裂缝修补 衬砌背后空洞注浆回填 钢拱架套拱”的方案对衬砌开裂段进行加固处理.裂缝修补对裂缝进行加固起到封闭裂缝、阻止衬砌进一步开裂的作用施工工艺可分为:先沿裂缝走向两侧各打入 注浆钢花管对裂缝背后空洞或松散体进行加固衬砌与围岩形成组合拱结构起到绑定加固的目的然后采取压力注射法在裂缝间注入裂缝修复胶封闭裂缝.衬砌背后空洞及不密实处注浆检测报告显示马道岭隧道衬砌背后存在空洞或不密实状态 随着围岩不断风化围岩对衬砌结构的约束即弹性抗力系数减弱同时围岩物理力学性质变差压力拱不断扩大衬砌背后的围岩压力增加这是造成衬砌开裂的主要原因之一 因此通过注浆钢花管对衬砌背后松散体或空洞进行注浆加固或充填可以有效防止衬砌背后的白云岩继续风化并改善围岩物理力学性能阻止衬砌背后围岩压力继续增加降低衬砌继续开裂风险.钢拱架套拱钢拱架套拱是此次加固处治的核心 为使原二衬与套拱的结合面之间有效传递剪力采用在原二衬表面凿毛、植入钢拱架、植筋等方法使新旧结构结合成一个变形协调的整体共同承担围岩荷载保障施工期及运营期安全同时新增套拱还可以在一定程度上弥补原二衬厚度不足的缺陷 套拱加固工序如下:先在现有二衬表面环向开槽预埋工字钢架然后在现有二衬表面植筋并将植筋与铺设在钢拱架表面的钢筋网焊接最后浇筑混凝土以保证现有二衬与套拱的整体性详见图 结构计算分析.计算方法采用 有限元计算软件通过荷载结构法计算二衬的轴力和弯矩计算结构安全系数和裂缝宽度分析裂缝产生的原因及套拱加固的安全性.计算模型以 段为典型断面建立二维有限元计算模型根据公路隧道设计规范计算衬砌荷载 由于马道岭隧道建成通车时间较长且原设计中初支仅为锚喷网结构初支中不含钢拱架整体刚度较弱故计算时围岩压力全部由二次衬砌承担初期支护仅作为安全储备 地层抗力通过只受压的非线性弹簧模拟四级中风化围岩地层抗力系数采用/通过将地层抗力系数减弱为/模拟衬砌背后松散体通过删除地层弹簧和荷载模拟衬砌背后空洞计算模型图见图 选取拱顶、拱肩、拱墙及拱底共 个监测点分析不同工况下轴力、弯矩的变化并计算安全系数.计算结果分别计算得到工况一:中风化白云岩状态工况二:年 第 期 李宇翔等:马道岭隧道套拱加固设计及计算分析图 钢拱架套拱设计示意图图 数值计算模型衬砌背后存在松散体工况三:衬砌背后存在松散体及右侧拱肩存在溶洞 三种工况下衬砌的受力状态各工况下的弯矩、安全系数及裂缝宽度如图 所示通过计算分析可知工况一状态下拱腰弯矩最大安全系数为.大于规范要求的最小安全系数.同时该工况下结构偏心距较小裂缝无需验算 工况二状态下拱顶弯矩最大此时安全系数为.仍大于.但裂缝宽度为.说明二次衬砌能够保证结构的整体稳定但裂缝宽度超过规范要求结构的耐久性要求无法满足 工况三状态下由于右侧拱肩位置出现空洞空洞范围内的二衬缺少围岩约束产生应力集中现象此时右拱肩的安全系数仅为.裂缝宽度为.无论安全系数还是裂缝宽度都无法满足规范要求结构处于失效状态 同时上述分析均基于既有二衬厚度满足设计要求的 的假定但通过现场监测发现原有二衬厚度合格率较低最薄弱处厚度仅约为设计值的一半实际结构的安全系数和裂缝宽度计算结果将更加不利综上所述原衬砌背后的松散体或空洞及二衬厚度不足是导致马道岭隧道 .右拱腰衬砌出现较严重裂缝的主要原因之一通过“裂缝修补 衬砌背后空洞注浆回填 钢拱架套拱”方案对衬砌开裂段进行加固处理后该加固方案的套拱可视为叠合式套拱即计算模型可按照整体受力计算新衬砌厚度为现有二衬厚度加套拱厚度 经计算增设套拱后的新二衬最薄弱处厚度为 大致等于原设计厚度但增设钢拱架混凝土套拱可以起到提高混凝土标号增加受力钢筋的作用 经计算在新二衬最薄弱处增设套拱后的安全系数为.裂缝宽度.满足相关规范要求证明了叠合式套拱结构的安全性和耐久北方交通 年 第 期图 不同工况下测点弯矩及安全系数变化曲线性 增设套拱后的弯矩云图见图 图 增设套拱后弯矩云图 结论马道岭隧道存在纵向裂缝贯通、衬砌剥落破损严重、衬砌背后存在松散或空洞、二次厚度不足等诸多严重病害采用“裂缝修补 衬砌背后空洞注浆回填 钢拱架套拱”方案对衬砌开裂段进行加固处理总结以下经验:()衬砌背后松散体降低围岩对衬砌结构的约束存在的空洞产生应力集中同时现有二衬厚度不足诸多不利因素叠加降低结构的安全系数导致马道岭隧道衬砌出现较严重裂缝病害()叠合式套拱是此次加固处治的核心 采用在原二衬表面凿毛、植入钢拱架、植筋等方法新旧结构将结合成一个变形协调的整体共同承担围岩荷载叠合式套拱不仅可以起到支撑加固的作用还可以弥补结构缺陷()套拱施工时应充分重视裂缝两侧注浆和衬砌背后空洞及不密实处注浆工作从而有效减少后期病害的发生 新建隧道结构施工时也应充分重视松散体和空洞的处理问题防止隧道运营后出现类似马道岭隧道的纵向裂缝贯通问题参考文献 李宇翔.马道岭隧道病害处治.北方交通():.田正刘宝华.公路隧道叠合式套拱加固技术应用研究.公路():.中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构加固设计规范:.北京:中国建筑工业出版社.中华人民共和国交通运输部.公路隧道加固设计规范:/.北京:人民交通出版社股份有限公司.中华人民共和国交通运输部.公路隧道提质升级行动技术指南.北京:人民交通出版社股份有限公司.刘学增王煦霖何本国.隧道不同损伤衬砌套拱加固对比试验研究 .中 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)():.(.)(下转第 页)年 第 期 李宇翔等:马道岭隧道套拱加固设计及计算分析综合分析可知方案 造价略高但便于施工工期较短采用 钢管材料利用方便 为确保取材便利按时完工推荐方案 为最终处治方案 结语()文章所推荐方案 已成功实施经后期持续观测该段落二次衬砌情况未出现开裂、变形()采用“钢筋混凝土板 钢管桩”跨越软基的方案具有施工便利、工期较短、受力效果好等优点()相较于 法、法等工法文章采用的临时仰拱环形开挖预留核心土法具有施工便捷的优点 施工过程中若出现初期支护开裂、变形等问题应及时将开挖工法调整为 法或 法从而保证施工安全参考文献 中华人民共和国交通运输部.公路隧道施工技术规范:/.北京:人民交通出版社股份有限公司.李雄周王星星秦之富.云南省某高速公路隧道岩溶段处治技术研究.地下空间与工程学报():.王才业.贵广高速铁路上寨隧道溶洞处理技术.路基工程():.高嘉丽.高压旋喷桩在新建铁路隧道基底加固中的应用价值研究.绿色环保建材():.(.).(上接第 页).年 第 期 林永鹏:新桥隧道填充式溶洞处治方案研究