随着我国公路及铁路建设的蓬勃发展, 公路及铁路隧道的里程及数量持续增加。截至2016年底, 我国大陆地区公路隧道共有15 181座、总长度为14 039.7km, 同2015年相比, 数量及总里程分别增加1 175座、13 55.8km^[1], 增长比分别为8.39%, 10.69%;铁路隧道共有14 100座、总长度为14 120km, 高速铁路及城际铁路隧道约4 080km, 占28.9%^[2]。随着隧道建设的高速发展, 无论已有运营隧道还是建设施工中的隧道, 都会产生病害现象^[3,4,5]。衬砌结构病害越来越多地受到隧道建设工作者及隧道工程科学研究人员的关注, 其中衬砌开裂是最严重的衬砌结构病害之一, 其对隧道结构的可靠性造成直接威胁, 降低衬砌结构安全性、减弱隧道适用性, 裂缝发展则严重降低衬砌结构耐久性^[6,7,8]。

虽然国内外相关学者对衬砌开裂已有不少相关研究^[9~13], 但随着高速铁路隧道、高速公路隧道建设的蓬勃发展, 高速列车在隧道内产生的微压波等因素对衬砌结构的可靠性提出了更高要求;且已有不少隧道由于受当时设计理念、施工技术及环境制约等原因, 衬砌结构的可靠性早已大大降低, 出现了不同程度开裂。衬砌开裂对衬砌结构的可靠性产生极大威胁, 直接威胁其安全性。因此, 衬砌开裂的快速修补技术成为保证隧道结构安全及正常运营的关键技术之一。本文以我国西南地区某高速公路隧道为例, 对其衬砌开裂进行分类、统计, 对衬砌背后缺陷、衬砌裂损机理进行分析, 对衬砌裂损快速修补技术进行探究, 得到粘钢加固在快速修补中的可行性及合理性, 以期为隧道衬砌裂损快速修补的应用提供借鉴。

该隧道所属工程是我国西部大开发战略的重大工程, 为所处城市群联络的重要通道之一。隧道986m, 主洞净宽10.85m、净高5.4m, 进口桩号ZK126+335, 出口桩号ZK127+321, 设计荷载为公路I级, 隧道内计算行车速度为80km/h。

隧址区地处两盆地间分水岭, 地形起伏不断, 多为侵蚀地貌。隧址区内地层主要为新生界第四系全新统崩坡积层块石及元古界晋宁-澄江岩浆岩。隧道围岩以V级及IV级围岩为主, 围岩段长度占隧道全长比分别为70%及30%。隧址区地表水主要来自地表水沟, 沟内常年水量充沛, 地下水主要为季节性降水及地表水补给, 水量丰富。水文地质条件简单, 地下水径流短、交替循环快。

对隧道全线进行现场检测, 观察测得隧道全线共有136条明显裂缝。对衬砌裂缝不同表现形式进行统计, 如图1所示。

由图1可知:裂缝数量最多的为纵向裂缝, 斜向裂缝次之, 裂缝数量最少的为环向裂缝。依据《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》中关于衬砌裂缝及其整治相关规定, 并结合本隧道裂缝表现形式, 对裂缝基本形态进行统计, 如表1所示。

对衬砌表面裂缝表现形式及裂缝基本形态进行统计, 发现隧道衬砌开裂较严重, 不少裂缝已达到规范规定的整治要求。为进一步探究衬砌背后缺陷尤其是表面裂缝衬砌背后缺陷, 采用地质雷达对隧道衬砌结构进行检测。在隧道横断面上布设7条测线, 分别在拱顶、拱腰、拱脚及边墙处。每天测线长度均为隧道全长, 每5m设置一个测点, 即每条测线设置197个测点。

对不同测线检测结果进行统计, 得到横断面不同部位衬砌背后缺陷率, 如图2所示。

由图2可知, 隧道横断面拱部左右对称位置处衬砌背后缺陷率基本相等;由边墙经拱腰至拱顶, 衬砌背后缺陷率逐渐增大, 拱顶处衬砌背后缺陷率最大。不难发现, 边墙及拱脚处缺陷率分别在3%及6%左右, 远远低于拱腰处的11%及拱顶处的18%, 故本文只对拱顶及拱腰处衬砌背后缺陷进行统计。

在隧道现场采用地质雷达对衬砌背后缺陷进行检测, 通过读取地质雷达灰度图, 对检测结果进行分析。拱顶及拱腰处衬砌厚度差值在纵向里程上的变化如图3所示。图3中, 纵坐标为正值说明衬砌设计厚度小于检测厚度, 负值说明衬砌设计厚度大于检测厚度。

由图3可得到: (1) 在隧道纵向上, 横断面不同位置处衬砌厚度变化并不是亦步亦趋; (2) 处于同一横断面的不同位置处衬砌厚度变化有增有减; (3) 拱顶处衬砌厚度差值为负值占比更大、背后缺陷更严重。

综合分析衬砌表面裂缝及背后缺陷检测结果, 得到以下结论: (1) 衬砌厚度差值最大值 (35cm) 位于拱顶, 且其表面贯穿有长度最长、宽度最大的纵向裂缝; (2) 长度l≥10m且宽度ω≥3mm的裂缝, 其背后衬砌厚度差值全部为负值、且其值均在-10cm以下;裂缝为连续贯通施工缝且宽度ω≥2mm, 其背后衬砌厚度差值95%为负值、且其值均在-6cm以下;长度5m≤l<10m且宽度ω≥1mm的裂缝, 其背后衬砌厚度差值87%为负值、且其值均在-3cm以下。

基于设计及施工资料, 结合隧道所处自然地质条件, 分析总结得到该隧道衬砌裂损成因机理, 如图4所示。

结合隧道设计及施工资料, 基于隧道衬砌裂损检测结果, 明确衬砌裂损成因机理及快速修补目的, 综合考虑满足隧道结构的功能性、修补安全性及经济性、修补效果及工期等因素, 提出以下4种修补方案, 如表2所示。

对比以上4种修补加固方案, 综合分析修补方案施工风险、工期、费用及施工工艺要求, 修补加固效果及对隧道净空的影响等, 选择粘钢加固方案作为本隧道衬砌裂损快速修补方案。实践证明, 粘钢加固可补充原钢筋混凝土衬砌中钢筋性能上的不足, 同时可以通过大面积钢带黏结保护原衬砌混凝土, 可以防止裂缝进一步发展, 且施工工期短、效率高, 在已运营隧道衬砌表面开裂快速修补上效果明显。粘钢加固法不增加原有设计结构载荷、不改变原有设计结构体系及其受力, 且胶粘剂强度高于混凝土自身强度, 可增大原衬砌结构的受力。

采用粘钢加固法, 对隧道拱顶处二次衬砌欠厚最大、同时贯穿有最大长度及宽度裂缝处进行修补加固。进行结构分析时, 认为钢带、锚栓、粘钢剂及原二次衬砌混凝土作为一个整体共同受力变形;计算时认为裂缝在衬砌径向扩展深度范围内衬砌均失去结构功能性作用, 即只将未发生裂损衬砌纳入计算。基于最不利原则, 按衬砌裂损最严重考虑, 原二次衬砌为50cm厚, 最大裂损处衬砌为15cm厚, 即仅计算15cm厚混凝土及钢带。结构力学计算模型如图5所示, 计算参数如下: (1) 混凝土强度等级C35; (2) 衬砌混凝土容重26k N/m³; (3) 最不利温度±30℃; (4) 围岩级别V级; (5) 围岩弹性抗力系数150MPa/m; (6) 围岩重度17k N/m³; (7) 围岩泊松比0.25; (8) 围岩侧压力系数0.21。

根据JTG D70/2—2014《公路隧道设计规范》, 浅埋隧道围岩压力荷载计算图示及计算结果如图6所示。围岩压力计算中, 二次衬砌分担比例取0.6, 初期支护分担比例取0.4。为保证结构安全, 取以下2种荷载组合计算结果的最不利值: (1) 围岩压力+衬砌自重+升温30℃; (2) 围岩压力+衬砌自重+降温30℃。

采用MIDAS/Civil三维有限元计算软件对原设计及粘钢加固修补后隧道衬砌结构的受力进行三维建模分析, 衬砌采用梁单元模拟, 各节点采用仅受压的弹性连接模拟地基土弹簧。为简化计算, 隧道纵向长度取1.5m, 如图7所示。

采用粘钢加固法进行衬砌裂损快速修补, 在衬砌结构变形停止、裂缝不再发展、基础不再沉陷的前提下开始进行修补加固, 以增强衬砌混凝土的强度及刚度。钢带采用Q345B型, 宽15cm、厚6mm, 钢带间距15cm, 与原混凝土之间采用刚性连接模拟。

在上述两种荷载组合下, 对隧道原设计及裂损后衬砌结构的受力进行分析, 得到最不利组合下衬砌应力, 如图8所示。

由图8可知, 最不利荷载组合下原设计衬砌拱顶处最大压应力为5.3MPa, 小于C35混凝土的设计抗压强度16.1MPa, 满足规范要求;衬砌裂损最严重处拱顶裂损区域最大压应力为22.7MPa, 大于C35混凝土的设计抗压强度16.1MPa, 不满足规范要求。粘钢加固后衬砌混凝土及钢带应力如图9所示。

由图9可知, 粘钢加固后拱顶裂损区域最大压应力为4.7MPa, 比原设计衬砌5.3MPa降低了11.3%, 且小于C35容许值16.1MPa, 满足规范要求。粘贴钢带的最大拉应力为40.3MPa, 小于Q345钢的容许应力275MPa, 满足规范要求。

为了便于比较, 加固前后二次衬砌的应力对比如表3所示。由表3可知, 采用粘钢加固法修补加固裂损衬砌后, 衬砌混凝土的压应力比原设计降低了11.3%、比裂损状态降低了79.2%, 安全系数比原设计提高了13.3%、比裂损状态提高了385.7%, 加固效果显著。

钢带采用M20膨胀螺栓及复合粘钢胶与衬砌连成一体。钢带与二次衬砌模筑混凝土间用YG3-M20型膨胀螺栓连接, 膨胀螺栓直径0.02m、钻孔直径0.028 5m、锚固深度0.14m。

施工流程如下:测量定位→基面清理→锚栓安装→注入粘钢胶→钢带安装连接→钢带涂漆→外观修饰。

粘贴钢带工艺:粘贴区界面清理→钻孔植埋膨胀螺栓→粘贴钢带配套→配制环氧砂浆→涂抹环氧砂浆→粘贴钢带→加压固定植埋螺栓→固化检验→钢带表面处理。

除了需要使得修补加固后的衬砌满足隧道结构可靠性及功能性要求外, 衬砌“内实外美”^[14]也是相应要求。采用错位割除膨胀螺栓帽、钢带间用腻子抹平、采用环保优质漆进行不同颜色配比对加固段进行喷涂等措施, 使得衬砌表面修补加固段与其他部位外观平整、颜色一致。

通过对我国西南地区某高速公路隧道衬砌表面裂缝及背后缺陷进行调研分析, 提出该隧道衬砌裂损成因机理, 并通过方案比选, 得出粘钢加固法为快速修补隧道衬砌裂损的最佳方案。提出粘钢加固结构力学计算模型, 并通过数值模拟方法对粘钢加固结构的受力进行分析, 对其安全性进行分析, 得出粘钢加固后衬砌结构的安全性比原设计提高了13.3%、比裂损最严重处提高了385.7%。最后给出粘钢加固详细施工方案及施工工艺。该方案不仅可解决该隧道衬砌裂损快速修补, 其系统成熟的方案设计, 可为其他隧道尤其是高速铁路及公路隧道衬砌裂损快速修补提供借鉴。