隧道衬砌内套拱加固时机试验研究

隧道衬砌内套拱加固时机试验研究

陈忠华 冯升

1. 中南安全环境技术研究院股份有限公司 湖北武汉 430048

2.湖北省交通规划设计院股份有限公司 湖北武汉 430051

摘要：基于隧道衬砌不同损伤状态下衬砌变形特性、破坏模式与承载力，通过试验研究，表明衬砌整体破坏由拱腰极限承载力控制，模拟衬砌受力过程为“加载一原裂缝贯通一套拱拱顶裂缝贯通一试件破坏”，得出关键部位破坏顺序为“拱顶开裂拱腰脆性断裂一拱顶延性破坏”。通过试验数据分析，确定原衬砌裂缝深度为1／3衬砌厚度时，可作为施工钢筋砼内套拱加固的最佳时机。

关键词：内套拱加固；损伤衬砌；养护时机

鄂西南地区高速公路隧道密集,许多隧道都已经进人高维修阶段，山岭隧道投入运营后,受环境、地质条件及自身结构缺陷等因素的影响，出现衬砌裂损、掉块、大变形等诸多病害，其中，衬砌裂损最为常见，直接影响隧道结构服役性能。在养护加固处理过程中，对隧道衬砌裂损类病害前期多只会对裂缝灌缝、封缝处理，随着裂损病害的发展，影响到隧道结构安全，就会考虑到采用钢筋混凝土内套拱加固处理，以期恢复二衬的结构性能。由于内套拱施工一般需阻断交通，交通管制及工程费用高，因此，裂损病害发展到何种程度施工内套拱加固能达到原设计指标，恢复结构性能，又经济合理，就需对施工内套拱加固的时机做进一步研究，为隧道养护管理决策提供科学的技术支持。

一、试验

内套拱加固二衬目的就是保证隧道良好运营条件和结构使用功能，加固衬砌结构，延长使用寿命，同时节约养护成本。套拱加固时机选择直接影响到隧道养护的成败，如何确定加固时机，延长衬砌结构物寿命，提高其服务功能，是隧道维修管理技术重要使命。

损伤衬砌为达到设计功能，恢复到原来指标，不同养护时机对应加固成本差异很大。本文采用模型试验方法，在拱顶预制不同深度裂缝模拟损伤状态，采用套拱加固，再加荷至破坏，研究隧道不同损伤状态下衬砌套拱加固的效果。通过对比分析，确定衬砌套拱加固最佳的施作时机。

1、模型试验装置。模型试验装置由加载系统、量测系统、反力系统组成，相似比1：10，松动荷载采用千斤顶加载实现，其余千斤顶不主动加载，其弹性抗力模拟围岩与衬砌相互作用，起到模拟地层被动抗力的作用，所有主动加载与被动抗力装置一起构成了加载系统，衬砌和千斤顶受力通过弹簧来传递，地层抗力系数为10 MPa·m^-1。原型隧道衬砌截面采用时速80 km双车道四心圆断面，衬砌厚度为0.40 m，衬砌跨度11.86m，高度9.53 m。原衬砌为C25模筑钢筋混凝土，厚0.40m；套拱为C30钢筋混凝土，厚0.20 m。

2、试验材料。以石膏为主的材料模拟混凝土，主要通过极限抗压抗拉强度进行控制，通过多组配比试验，最后确定水与石膏比例为0.55：1，测得弹性模量2.53 GPa，抗压强度2.36 MPa．模型钢筋网由焊接镀锌网制成，焊接镀锌铁网是用优质低碳钢丝排焊而成，焊点牢固，加工性能良好。模型试件轴向长度为30 cm，钢丝面积为27mm2，取钢丝直径1 mm，主筋间距约10 mm，构造筋取直径为1 mm。取拱顶截面为控制截面，通过分析拱顶截面短期刚度与最终破坏荷载，研究内套拱承载能力。

（1）计算方法。基于平截面假定，采用钢筋混凝土纯弯、压弯构件短期刚度的通用计算公式为：

（2）量测项目。沿隧道外侧，每两个抗力弹簧之间布置百分表，测量隧道变形，拱顶1只、拱腰及边墙6只，仰拱4只，共计11只表用以测量衬砌表面法向的位移。在起拱线两端，测量起拱线下沉位移，其测量杆平行于测点处衬砌表面的切向。在拱顶千斤顶前端平板和曲板上布置了百分表，测量弹簧压缩量和压缩系数的乘积，即拱顶千斤顶的松动压力。

二、不同损伤状态套拱加固效果分析

先浇筑和完成养护衬砌，衬砌内预制裂缝采用厚度1 mm聚乙烯板模拟，模型浇筑时插入拱顶位置，不同裂缝深度模拟衬砌不同损伤状态，衬砌浇筑过程分为模具及钢丝网定位、材料拌合、浇筑、短期养护、拆模、养护六个阶段，浇筑过程中振捣以保证浇筑质量．然后施作套拱并养护，再加载至破坏。

1、损伤衬砌裂缝发展过程。通过预制不同衬砌裂缝深度，模拟衬砌不同损伤状态，根据模型试验数据，拱顶挠度曲线与荷载关系，分阶段对试件破坏过程进行分析。如图所示。

2、损伤衬砌弯矩—曲率关系。依据相似比、试验荷载和位移，采用式进行反分析，可以求得套拱加固后的模型在松动荷载作用下，原二次衬砌结构曲率和弯矩变化曲线，如图所示．

从图看出，原衬砌预制裂缝深度不同对应的衬砌结构弯矩差异较大。试件承受荷载较小时，应变、挠度曲线基本呈直线状态，处于弹性工作阶段。随着荷载增加，试件进入带裂缝工作状态，套拱受拉区主要由钢筋承受拉力。继续施加荷载，套拱开始出现裂缝并快速发育，沿径向贯通，最终与预制裂缝连通，预制裂缝进一步加深。衬砌发生曲率突变点基本一致，为0.0057处。原衬砌预制裂缝深度为衬砌厚度为1／3，1／2，2／3，突变点处对应弯矩分别为402 kN·m，285 kN·m，241 kN·m。

3、套拱加固衬砌复合构件开裂过程与破坏模式。根据破坏性模型试验量测数据，可以将套拱加固构件破坏过程分为“加载—原裂缝径向贯通—套拱拱顶裂缝径向贯通—试件破坏”阶段。

(1)初期加载—预制裂缝径向贯通，预制裂缝深度的不同，各试件预制裂缝的张开荷载也不同，如表所示。

随着荷载施加，拱顶挠度线性快速增加，弯矩—曲率非线性增加(弯矩增幅小于截面曲率增幅)，拱顶截面整体弯曲刚度急剧降低，抗力曲线线性缓慢增加。在预制裂缝贯通之前，若单独取套拱按照现有混凝土理论计算开裂弯矩

(2)预制裂缝径向贯通—套拱裂缝径向贯通，预制裂缝贯通后，原衬砌拱顶截面仍可提供较大刚度，荷载并未立即转移至套拱，而是随不断加载，原衬砌预制裂缝逐渐张开，套拱承担荷载缓慢增加，其上主裂缝沿径向明显发育，受压区渐渐上移。但由于钢筋强度足够，试件变形较缓慢，荷载一挠度曲线比较平缓，而弯矩—曲率、荷载—刚度曲线接近于直线，波动不大，抗力基本线性增加。

(3)套拱拱顶裂缝径向贯通—试件破坏。套拱拱顶裂缝径向贯通后，试件进入加速破坏过程，原衬砌预制裂缝大幅扩展，顶部出现明显的三角形受压区，套拱主裂缝亦明显张开，并出现斜裂缝，钢筋应力逐渐增大，但仍未达到屈服强度，截面达到极限承载力时，脆性断裂，导致结构整体迅速破坏，原衬砌破坏由拱腰脆性断裂引起，原衬砌拱顶最终破坏形式为大偏心压弯破坏，拱脚出现斜裂缝，处于压剪受力状态。

4，套拱加固衬砌复合构件抗弯刚度。构件加载过程中刚度变化趋势大致相同，随着荷载增大，裂缝发展导致结构刚度呈非线性减小，衬砌裂纹产生。原衬砌预制裂缝深度不同，荷载引起复合构件弯曲刚度减小幅度差异很大，试件刚度差异也较大。

三、结论

(1)在衬砌损坏初期，内套拱加固可防止损伤向深层次进一步发展，避免进人快速发展阶段。套拱加固衬砌复合结构破坏荷载由原衬砌拱腰截面极限承载力控制，呈脆性破坏。

(2)原衬砌拱腰在加载过程中必然会发生破坏，其破坏前套拱拱腰截面分担荷载较小。

（3）原衬砌裂缝深度为1／3衬砌厚度时，可作为施工钢筋砼内套拱加固的最佳时机。

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