淺談H型鋼拱架在關(guān)山隧道加固技術(shù)中的應(yīng)用

胡宇寧（甘肅省平?jīng)龉饭芾砭?，甘肅平?jīng)?744000）

淺談H型鋼拱架在關(guān)山隧道加固技術(shù)中的應(yīng)用

胡宇寧
（甘肅省平?jīng)龉饭芾砭郑拭C平?jīng)?744000）

關(guān)山隧道位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭至莊浪交接的關(guān)山，海拔高度2280m， 氣候高寒陰濕，是省道304線控制性工程。隧道全長(zhǎng)2825m，為單洞雙車道，最大埋置深度310m，主要病害是襯砌開(kāi)裂、掉塊和路面裂縫及破損。關(guān)山隧道襯砌拱頂混凝土發(fā)生掉塊，經(jīng)過(guò)勘察論證確定采用H型鋼鋼拱架臨時(shí)加固處理方案。實(shí)踐證明施工工藝簡(jiǎn)捷、可操作性強(qiáng)，質(zhì)量安全可靠。

關(guān)山隧道 襯砌掉塊 H型鋼鋼拱架 支撐加固

1　病害分析

1.1襯砌掉塊的原因

（1）襯砌裂縫多且縱橫相交。掉塊段裂縫為縱向裂縫、斜向裂縫、環(huán)向裂縫相交網(wǎng)狀形態(tài)，裂縫多為0.5mm以上且存在錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，裂縫的發(fā)育及貫通造成掉塊。（2）襯砌厚度不足。掉塊位置K109+876-K109+879處拱頂厚度在18cm～31cm之間，最薄厚度18cm。因此，隧道襯砌厚度不足造成襯砌內(nèi)力集中，產(chǎn)生裂縫，裂縫的發(fā)展及貫通形成襯砌掉塊。（3）拱頂空洞。經(jīng)甘肅省科研院檢測(cè)塌陷存在空洞，形成幾十厘米至兩米的壓潰區(qū)， K109+879-K109+883為此類。

1.2襯砌開(kāi)裂的原因

1.2.1環(huán)向裂縫及施工縫開(kāi)裂的原因

（1）溫度應(yīng)力。1）施工期混凝土澆筑過(guò)程中水化熱過(guò)大或混凝土澆筑體積較大時(shí)，襯砌澆筑后易因降溫和混凝土收縮而拉裂。2）隧址區(qū)屬于季節(jié)性冰凍區(qū)，早晚溫差大，襯砌內(nèi)部溫度應(yīng)力隨氣溫循環(huán)變化，造成施工縫開(kāi)裂和環(huán)向裂縫。此種裂紋的特點(diǎn)是縱向間隔比較均勻，沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的垂直方向開(kāi)裂，裂縫無(wú)錯(cuò)臺(tái)，縫寬很小，一般不到0.2mm。（2）不均勻沉降?；撞痪鶆虺两狄鸬沫h(huán)向裂縫，此種裂縫開(kāi)裂寬度也很小，縫左右的上下錯(cuò)距一般不大（因基巖下沉有限），其與溫度及混凝土收縮引起的開(kāi)裂區(qū)別在于它沿縱向的分布不均勻而與地質(zhì)有關(guān)。

1.2.2縱向和斜向裂縫產(chǎn)生的原因

（1）拱頂空洞及二襯厚度不足。當(dāng)隧道上方有空洞或回填不密實(shí)時(shí)，襯砌在地層壓力作用下拱腰（及邊墻）向內(nèi)變形，拱頂因無(wú)地層抗力向上變形，當(dāng)變形超過(guò)混凝土極限時(shí)即發(fā)生破壞，此時(shí)拱頂形成長(zhǎng)帶型寬幾十厘米至兩米的壓潰區(qū)，有剝落掉塊，掉塊一般為中間厚、邊緣薄的梭狀，并且隨著變化的發(fā)展可以一層層剝落。在拱頂內(nèi)側(cè)壓潰的同時(shí)，拱腰和邊墻承受正彎矩而發(fā)生張裂，裂縫由彎拉應(yīng)力太大而產(chǎn)生，所以裂縫表面寬而向里面逐漸消失。（2）地質(zhì)條件。裂縫集中段落內(nèi)分布有一條斷層破碎帶，斷層破碎帶內(nèi)巖體破碎，呈角礫、碎石狀松散結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差，斷層影響范圍內(nèi)圍巖壓力過(guò)大也是造成襯砌開(kāi)裂的主要原因。（3）仰拱存在質(zhì)量缺陷。仰拱厚度不足，回填不密實(shí)，隧道二次襯砌不能成環(huán)，結(jié)構(gòu)受力不合理，是隧道產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因。

2　病害處治方案

根據(jù)關(guān)山隧道病害現(xiàn)狀及原因分析，應(yīng)急處治方案如下：

（1）隧道臨時(shí)支撐及應(yīng)急保障。施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)準(zhǔn)備30cm原木、型鋼等臨時(shí)支撐，縱向間距宜采用50cm，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行調(diào)整，且應(yīng)準(zhǔn)備足夠的緊急醫(yī)療藥品、生活必須品及逃生管道等應(yīng)急物資、設(shè)備，保證人員施工安全。（2）隧道開(kāi)裂、掉塊襯砌加固。本次隧道病害發(fā)生在K109+869-K109+913段，共計(jì)加固45m，在拱頂設(shè)6mm厚A3鋼板，鋼板底端距路面高程不應(yīng)低于5.7m，用螺栓采用梅花形布設(shè)與襯砌混凝土緊貼錨固，螺栓間距宜采用100cm×100cm；K109+868-K109+873、K109+885-K109+900段襯砌采用HW175型鋼支撐，縱向間距1 0 0 c m， K 1 0 9+8 7 3-K 1 0 9+8 8 5、K109+900K109+913段襯砌采用HW175型鋼支撐，縱向間距50cm，榀間設(shè)φ22縱向連接筋，環(huán)向間距30cm，布設(shè)于H175型鋼內(nèi)緣；每榀H175型鋼拱腳兩側(cè)各植入3根L=50cm長(zhǎng)φ25鋼筋，植入深度30cm，但不可刺穿防水板，植入鋼筋端部應(yīng)采用堆焊、φ22圓鋼等可靠措施與型鋼連接牢固，保證結(jié)構(gòu)整體受力。

3　施工注意事項(xiàng)及要點(diǎn)

（1）隧道應(yīng)臨時(shí)封閉進(jìn)行施工，沿線各交叉路口設(shè)有施工繞行告示牌，禁止車輛和行人進(jìn)入隧道。施工作業(yè)區(qū)設(shè)置錐桶、警示標(biāo)志和標(biāo)線，配有安全人員24小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)管理和觀測(cè)。（2）施工作業(yè)流程：紅外基準(zhǔn)放線→墻面固定連接鋼板→架設(shè)H175型鋼拱架（拱腳和拱腰）→拱頂頂板（拱頂固定6mm厚A3鋼板）→拱腳設(shè)φ25植入鋼筋，端部與H型鋼通過(guò)堆焊、φ22圓鋼等可靠措施與型鋼連接牢固。（3）H型鋼每拱架每環(huán)由五段構(gòu)成，其中拱頂一段，弧長(zhǎng)6.294m，拱腰兩段，每段弧長(zhǎng)3.236m，邊墻兩段，每段弧長(zhǎng)3.233m；為了不影響隧道吊頂布設(shè)，拱頂H型鋼邊緣距路面高度也不低于5.7m；施工中如拱架與隧道原電纜架橋、照明設(shè)施和消防栓箱有沖突時(shí)，可適當(dāng)和靈活調(diào)整拱架焊接安裝間距，確保施工順利進(jìn)行。（4）施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)與臨時(shí)支撐，要求監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布置斷面間距不大于1.5m，局部變形嚴(yán)重地段根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加密，每天監(jiān)測(cè)頻率不少于3次，以便掌握襯砌變形情況。（5）鋼拱架弧長(zhǎng)系為H型鋼對(duì)稱中心線弧長(zhǎng)，為了使型鋼與隧道襯砌緊貼密實(shí)，型鋼拱架半徑、弧長(zhǎng)根據(jù)監(jiān)測(cè)資料適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整擬合，施工中可在H型鋼與襯砌縫隙間用木楔或橡膠塊墊緊，保證鋼支撐受力均勻。（6）拱頂鋼板邊緣應(yīng)由H型鋼翼板覆蓋，保證鋼板與原襯砌緊貼密實(shí)，鋼板固定后與H型鋼焊接，φ22縱向連接筋應(yīng)焊接在H175型鋼內(nèi)緣。（7）拱頂鋼板采用M20×70高強(qiáng)螺栓固定，螺栓應(yīng)采用梅花形布設(shè)，間距100cm×100cm，位置應(yīng)與型鋼錯(cuò)開(kāi)，保證型鋼緊貼鋼板。（8）每環(huán)鋼拱架分段長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際情況及施工方便適當(dāng)調(diào)整。（9）植入鋼筋施工工藝及要點(diǎn)：1）鉆孔?？咨钆c鋼筋植入深度相同，孔徑比鋼筋直徑大2～4mm，孔位應(yīng)避讓鋼束和構(gòu)造鋼筋。2）清孔?？椎缿?yīng)先用硬鬃毛刷清理，再以高壓干燥吹風(fēng)機(jī)吹去孔道底部粉塵，碎渣和水分，使孔內(nèi)保持干凈和干燥。3）灌膠。將植筋膠由孔底灌注至孔深2/3處，待插入錨筋厚，膠即充滿整個(gè)空洞。4）插筋。植入筋插入前應(yīng)清除插入部分的表面污物。并需插到孔底，孔口多余的膠應(yīng)清除。污物應(yīng)先以鋼刷清理，再用丙酮擦干凈。5）在膠液干固前，避免擾動(dòng)錨固鋼筋和在孔位附件有明水存在。6）嚴(yán)禁盲目鉆孔植筋，植筋位置應(yīng)在結(jié)構(gòu)表面畫好，不能在結(jié)構(gòu)棱邊上植入。施工前應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，鉆孔直徑為鋼筋外徑+4mm為好，植入深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。7）植筋孔注膠時(shí)，必須使孔內(nèi)膠液飽滿，注膠應(yīng)在氣溫較高時(shí)進(jìn)行。8）植筋孔注膠24小時(shí)后方可對(duì)被加固構(gòu)件進(jìn)行下道工序。

4　結(jié)語(yǔ)

本次關(guān)山隧道加固為應(yīng)急保通處治，只對(duì)襯砌掉塊和開(kāi)裂段進(jìn)行了應(yīng)急處理，目前加固段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大變形。下階段必須加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)和管理，對(duì)隧道病害發(fā)展情況全方位監(jiān)測(cè)，為隧道安全運(yùn)行和永久性加固提供必要的理論依據(jù)。