公路隧道套拱加固技术的研究

公路隧道套拱加固技术的研究

卫永威

重庆交通大学 重庆市 400074

摘要：为及时掌握施工过程中的围岩稳定状况，进而选择合理的支护结构，以确保施工安全，提高施工效率，故本文依托九连山隧道工程，通过全站仪等仪器对隧道围岩位移、拱顶沉降等情况进行监控量测，通过分析相应监控实测数据，得出拱顶最大沉降为21.21mm，地表最大沉降为126.28mm。对地表和围岩分别采取声波注浆法和超前管棚法进行支护，并通过迈达斯GTS软件对支护后的围岩进行数值模拟，得出地表沉降以及拱顶下沉显著减小，符合规范要求。

关键词：监控量测；地表沉降；拱顶下沉；围岩加固

0 引言

截止2020年底，我国隧道总里程2199.93万延米，在隧道数量日渐增加的同时，由于地层条件、环境因素、人为影响等原因，导致运营期隧道病害也在逐渐增多，如何采用合适的方法对病害隧道进行处置，是目前运营期病害隧道所面临的问题。

公路隧道常见的病害有衬砌裂损、渗漏水、空洞等。其中，衬砌裂损是最主要的病害。其会导致隧道衬砌承载力下降，随着时间的积累，使隧道出现下沉的现象，从而影响隧道运营和行车安全。故此时应该对隧道衬砌进行加固处理。常见的加固方式有粘钢加固、粘贴纤维布加固、套拱加固以及锚杆加固。

本文依托某双向六车道高速公路隧道，路线设计车速为100km/h，对其进行套拱加固处置。先进行工程监测，后利用MIDAS-GTS NX进行加固后隧道沉降的模拟。从而来验证其加固效果。

1位移监测

1.1监测内容

根据规范要求，结合本隧道的实际工程情况，进行以下项目的现场围岩监控量测的工作：(1)地质与支护状态观测；(2)周边位移量测；(3)拱顶下沉量测；(4)地表沉降观测。

这类量测是为了确保在施工过程中的围岩稳定和施工安全而进行的经常性量测工作。量测方法简单，量测密度大，量测信息直观可靠，并贯穿在整个施工过程中，对监视围岩稳定，指导设计施工有很大的作用。

1.2监测方案

拱顶下沉量测是在隧道开挖毛洞的拱顶及轴线左右各2～3m共设3个带挂钩的锚桩,测桩深度30cm，钻孔直径φ42，用快凝水泥或早强锚固剂固定，测桩头需设保护罩。用精密水准仪、钢卷尺量测拱顶下沉。

1.3监测分析

提取拱顶下沉和周边收敛值数据进行对比分析，绘制拱顶下沉和周边收敛曲线如图1所示。

图1拱顶下沉图

如图2、图3可以看出，隧道ZK386+900断面（左线出口段）在前期开挖时拱顶下沉和周边收敛速率较大，分析其原因为隧道周边土体受开挖扰动，应力场变化较大，短时间内应力突变导致变形速率较大，最大沉降值为20.06mm，发生在右侧点；监测10天后，随着施工的进行，相应支护结构的完成，加之岩体自身经过一段时间的变形后形成“拱”状，趋于自稳，故该开挖区完成了应力重分布，表现为变形速率较平稳，沉降量趋于0。基于此，在隧道施工过程中，通常采取增设临时支护和小导管注浆的方法来控制沉降。

2数值模拟分析

2.1加固措施

套拱加固，就是沿原衬砌表面增设拱形混凝土结构，与原衬砌形成共同承载体的加固方法。套拱与原衬砌结合一体时，为叠合式套拱；在套拱和原衬砌之间设置防水层时，为复合式套拱。本文中是工程采用叠合式套拱加固。

2.2计算模型

采用地层结构法模拟计算隧道加固后的位移，故选取单个隧道进行数值模拟，所选断面为浅埋段，隧道埋深9.3米，为避免边界效应，隧道两侧土体各取4倍隧道宽度，下方取3倍隧道宽度。

2.3计算参数

土体采用摩尔-库伦本构模型进行模拟。

2.4结果分析

利用MIDAS-GTS NX软件模拟加固后的围岩位移沉降情况如图2所示。

图2 ZK386+900断面竖向位移图

通过分析隧道ZK386+900断面的水平和竖直位移云图可知，在围岩荷载作用下，隧道加固后的水平最大位移为1.35mm，发生在地表处，隧道内部未发生明显的水平位移；最大竖向位移为3.80mm，发生在隧道底部。由此可见，ZK386+900断面围岩加固后，地表以及拱顶沉降值大大降低，符合规范规定的安全值范围。

图3 ZK386+250断面水平位移图

图4 ZK386+250断面竖直位移图

通过分析隧道ZK386+250断面的水平和竖直位移云图可知，在围岩荷载作用下，隧道开挖支护后的水平最大位移为1.44mm，发生在地表处，隧道内部未发生明显的水平位移；最大竖向位移为4.07mm，发生在隧道底部。由此可见，ZK386+250断面围岩加固后，地表以及拱顶沉降值大大降低，符合规范规定的安全值范围。

3结论

对隧道围岩位移、拱顶沉降等情况进行监控量测，通过分析相应监测数据，对地表和围岩采取了相关加固措施，并对隧道进行了加固后的位移沉降的数值模拟。
    通过监控测量所得的实测数据，隧道刚开挖时，地表最大沉降为126.28mm，隧道最大竖向位移为20.06mm，沉降值较大，原因为隧道周边土体受开挖扰动，应力场变化较大，短时间内应力突变导致变形速率较大，故使得沉降较大。

采用声波注浆法和超前管棚法分别对地表以及隧道围岩进行支护，通过数值模拟，得出支护后地表沉降最大为4.07mm，隧道最大竖向位移为3.34mm，满足规范要求，故加固效果显著。
参考文献：

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