秧草地隧道衬砌病害整治技术研究

秧草地隧道衬砌病害整治技术研究

王许锋

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摘  要：为解决岩层破碎，溶岩瓦斯、膨胀土等不良地质情况下的隧道衬砌病害问题，本文以南昆铁路营运线秧草地隧道衬砌为工程背景，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，详细介绍了隧道衬砌病害的成因、处置措施，并运用有限元软件结合现场监测数据进行了隧道病害处置效果分析。结果表明造成隧道病害的主要原因为隧道渗漏水和衬砌所用的混凝土质量问题；针对隧道病害情况，采取了“拱墙钢筋束+挂网锚喷补强”的补强措施，通过数值计算和实际监测数据可知，隧道的衬砌病害得到了很好的控制，治理效果显著，能够为今后相同工况条件下的隧道衬砌灾害治理提供参考。

关键词：不良地质   隧道工程    衬砌病害治理    数值模拟

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0 引言

受地下环境水、地质条件、设计施工、震动、运营环境等因素影响，许多铁路隧道运营后均出现不同程度病害，对隧道结构稳定、洞内设备、行人安全、运营安全造成了诸多不良影响，降低了铁路隧道的使用寿命。根据隧道病害成因的不同，大致可分为水害、衬砌裂损、衬砌结构腐蚀、震害、隧道衬砌冻害等多种类型。

据此，众多学者采用理论研究、现场试验、室内模型试验和数值模拟等多做方法对隧道衬砌病害进行研究分析。曾晓东[1]对衬砌裂缝及渗漏水整治提出采取表面封闭法、裂缝注浆及锚固、拱架补强加固等技术措施,并得出了相关的实践经验和结论。薛晓辉等[2]利用刚度退化理论对带裂缝隧道衬砌结构的安全系数进行了验算,提出采用埋管注浆法和"钢拱架+注浆锚杆"法对不同安全性的带裂缝隧道衬砌段进行了处治，取得了良好效果。

综上所述，对于隧道衬砌病害的治理方法研究已经取得了很大的进展，但是由于隧道所处环境相对复杂，尤其是岩溶、破碎等不良地质共同作用下，传统的治理方法很难达到规范要求，所以需要根据病害的实际情况展开研究。本文结合南昆铁路营业线秧草地隧道出现的缺陷和病害，采用有限元分析软件建立模型，对既有秧草地隧道病害整治前后衬砌断面强度进行分析、研究，评价病害整治的影响，制定“拱墙钢筋束+挂网锚喷补强”的病害整治措施，并对结果进行验算，取得了良好效果，为同类营业线施工问题施工提供了参考。

1  工程概况及衬砌整治

1.1 工程简介

秧草地隧道位于南昆铁路秧草地至陆良区间，全长488m，为单线电气化铁路，设计时速120km/h，采用端墙式洞门，于1992年开工建设，1995年贯通。设计采用钢筋混凝土套拱加固，套拱厚100cm，背后回填浆砌片石。隧道地处崇山峻岭之中，地层以石灰岩为主，断裂发育，岩体破碎，卡斯特地貌特点突出，不良地质及特殊地质发育,尤其是岩溶,膨胀岩，地下水丰富。

1.2 隧道病害状况及原因分析

根据现场调查、敲击排查以及长期观，隧道目前的主要病害出现在 线路左侧拱腰，纵向裂纹长6m，裂宽3mm，且裂纹处腐蚀流白浆，局部拱顶空响。

经过现场实际勘察并结合典型工程可知，隧道出现病害的原因为：

（1）渗漏水原因

秧草地隧道修建于1995年，其设计标准较低，防排水设施不完善，主要以纵横向排水盲管引排为主，无防水板，导致隧道衬砌裂缝发展、发生渗漏水现象，

（2）衬砌破损、掉块

由于隧道所用衬砌混凝土耐久性差，在周围环境不断的侵蚀作用下，出现陈旧性不断裂缝[3]。同时，衬砌背后局部不密实、存在空洞，造成结构受力不均匀，并在列车振动影响下，衬砌局部受力开裂，混凝土质量较差出现掉块[4]。

1.3 病害整治设计措施

出现病害段采用拱墙钢筋束+挂网喷射C30混凝土厚10cm补强措施。拱墙环向设置钢筋束及锚网喷补强措施。K634+358~K634+362、K634+453~K634+459段采用拱墙钢筋束+挂网喷射C30混凝土厚10cm补强措施，端部拉槽扩大拱脚，将钢筋束及环向钢筋未端置于拉槽内。拱部有空洞的地方在锚网喷衬砌补强后再进行压注水泥浆进行回填处理[5]。

3隧道病害治理措施

3.1 隧道病害现场分布

3.2 病害治理措施及依据

3 病害整治措施依据及结构安全性标准

3.1 设计依据

3.1.1 锚杆类型的选择

非预应力锚杆的工作特性与适用条件见表1。

表1 非预应力锚杆的工作特性与适用条件

3.1.2 锚杆长度的选择

由于地下工程环境特殊，地质条件复杂，结合目前研究现状，如何选择最合理的锚杆支护参数，可以按下列方法推算[6]。

根据类似经验法及围岩状况确定：如围岩稳定，仅为防止围岩表层松动开裂，锚杆长度可选1.5-2.5m；如围岩不稳定，需利用锚杆限制围岩变形，或起到加强支护作用时，锚杆长度不宜小于2.5m，最长可按隧道开挖宽度之半[7]。

对于隧道拱部系统锚杆，主要作用是使围岩形成承载拱圈，锚杆长度可按下式估算：

L=1.40+0.184B

式中，B为隧道的跨度。

3.1.3 锚杆间距的确定

式中，i-锚杆间距；

γ-岩体的容重（kN/m3）；

ha-围岩压力计算高度；

K-安全系数，通长取k=2~3。

鉴于既有隧道衬砌结构病害严重程度，采用拱墙钢筋束+挂网喷射C30混凝土厚10cm补强措施。全环设置钢筋束及锚网喷补强措施。

锚网喷支护参数：设计拱部采用长度为3米的φ25组合中空锚杆，边墙采用长度3米ф22砂浆锚杆。环、纵向间距均为120cm，梅花形布置。拱墙环向设置4根间距7cm的ф22钢筋形成钢筋束，钢筋束净距59cm，钢筋束上环向间距20cm焊接ф16连接钢筋，长25cm，环向每间隔1米设置一道通长的ф12连接筋，所有交叉点处均需点焊焊接。对整治范围内衬砌植入ф16，深20cm的钎钉，单根长27cm，环纵向间距40cm，呈井字形，出露衬砌7cm并与钢筋网焊接。详见图1。

再在拱墙环向布设ф12钢筋，纵向通长布设ф12钢筋，环、纵向间距均为15cm，形成钢筋网格，再喷射C30混凝土厚10cm。根据限界测绘结果，该段落隧道拱部限界富裕无需凿除，拱脚至边墙底限界基本无富裕，因此需要凿除5cm，喷射砼至设计厚度，喷砼后局部侵入隧道建筑限界最大为5cm。实施时应实测限界，确保满足要求。

图1 拱墙锚喷网+钢筋束整治措施

3.2 刚度退化理论

在对衬砌结构裂缝情况进行详细调查的基础上，运用刚度退化的基本原理和方法，将泊松比ν和弹性模量E进行调整，可有助于衬砌结构的安全性评价[8]。

素混凝土衬砌结构刚度与裂缝深度的关系拟合曲线如下：

式中，K--衬砌开裂后的结构刚度；

K0--衬砌结构的初始刚度；

H--衬砌结构厚度；

h--裂缝深度。

3.3 有限元强度折减法

一直以来，对于传统的既有隧道安全性的检验是基于荷载-结构模型的，该方法采用隧道设计规范的计算方法，通过隧道围岩分级来取计算的物理力学参数，计算求得围岩压力，将围岩压力转为成节点荷载直接加在衬砌结构上，围岩的作用采用地层弹簧模拟。但该方法没有考虑隧道围岩和衬砌之间的相互作用，不能准确的模拟材料发生劣化以及衬砌出现缺陷时的截面强度[9]。

本文采用有限元分析软件建立模型，对既有秧草地隧道病害整治前后衬砌断面强度进行分析、研究，评价病害整治的的影响，制定合理的病害整治措施[10]。

隧道掌子面开挖后围岩力学参数明显降低。其中弹性模量E、粘聚力C和内摩擦角ψ这三个参数的降低显著，泊松比ν的变化相对较小。且当弹性模量减低时，泊松比ν增大[11]。

根据相关老龄混凝土回弹值龄期修正的规定，混凝土抗压强度换算值应根据表2的修正系数予以修正。

表2 混凝土抗压强度换算值龄期修正系数

3.4 结构安全性标准

本文对既有秧草地隧道病害整治前后衬砌断面强度进行分析、研究，检验其截面强度不得大于材料容许应力。凝土容许应力见表3。

表3 混凝土的容许应力（Mpa）

原设计中，秧草地隧道衬砌结构采用直墙带底板型式。200号防水混凝土拱圈，边墙采用150号混凝土，铺底采用100号混凝土。根据《钢筋混凝土结构设计规范》（TJ10-74）及插值法，可求得下表。

表4 秧草地隧道衬砌混凝土容许应力（Mpa）

根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016），锚杆钢筋容许应力见表5。

表5 钢筋容许应力（MPa）

3 病害整治效果模拟分析

3.1 有限元模型建立

本文采用岩土隧道结构专用有限元分析软件（MIDAS/GTS）进行建模分析[12]，选取K634+370~K634+380段建立地层-结构模型，根据圣维南原理，模型左、右选取约为开挖洞室尺寸的5倍距离，模型底部选取为开挖洞室尺寸的5倍距离，模型上部至地面，顺隧道方向选取10m。三维模型如图2所示。

图2 有限元模型示意图

3.2数值模拟

先后对隧道现状和衬砌结构补强施工后2种工况进行了数值模拟，从而进行对比，分析隧道病害治理效果。

3.2.1 隧道现状模拟

此模拟工况下隧道衬砌不设任何防护措施。按照上述前确定的隧道衬砌和围岩环境等物质的材料属性，建立三维有限元隧道如图3所示。

图3 隧道现状阶段模型图

3.2.2 衬砌补强施工后模拟

图4衬砌结构补强施工阶段模型图

3.3 对比分析

数值计算结果如图5、图6所示，分析可知，隧道现状阶段隧道现状阶段拱圈及边墙混凝土最大压应力分别为5.15MPa及7.71MPa，均不满足《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）及《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB50292-2015）中混凝土修正后抗压强度5.04Mpa及3.46MPa限值要求，衬砌混凝土结构强度不足。而经过“拱墙钢筋束+挂网锚喷”法补强过后，隧道衬砌结构补强施工阶段拱圈及边墙混凝土最大压应力分别降低为2.01MPa及3.36MPa，满足衬砌混凝土结构强度设计要求，同时，锚杆拉应力云图如7所示，可知隧道衬砌结构补强施工现状阶段拱部φ25组合中空锚杆最大拉应力值为60.7MPa，边墙ф22砂浆锚杆最大拉应力值为146.7MPa，符合《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）中钢筋容许应力160Mpa及210MPa限值要求。

图5隧道现状衬砌混凝土结构压应力云图

图6 隧道衬砌结构补强施工阶段混凝土结构压应力云图

图7 隧道衬砌结构补强施工阶段锚杆拉应力云图

3.3 现场监测

4  结语

本文以南昆铁路营运线秧草地隧道为研究背景，对不良地质下隧道衬砌病害的成因、治理方案、安全验算、治理效果等方面进行了研究，得出结论如下：

（1）结合不良地质条件总结隧道衬砌病害的原因。

（2）工程针对隧道衬砌破坏情况，采用了怎样的处置措施，有效保证了隧道结构的安全。

（3）运用有限元软件对比分析采用 “”治理措施前后的应力变化，结果表明，治理后的隧道衬砌安全性显著提高，相较于未处理之前的应力分析结果，采用补强措施后的拱圈及边墙混凝土最大压应力分别降低为2.01MPa及3.36MPa，满足规范要求限制，说明了处置措施的有效性。

（4）根据现场监测可知，自隧道衬砌病害治理施工完成后，结构已达到规范要求，并满足使用要求，证明本文提出的治理措施行之有效，能够为相同工况条件下的隧道衬砌病害问题的解决提供参考

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