新建公路對既有隧洞的影響及粘鋼加固效用分析

曾思遠(yuǎn)，曹生榮，賀 歡，嚴(yán) 鵬

(1. 深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036； 2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

近年來，為解決地區(qū)間水資源分布不均的問題，我國的跨流域輸水工程建設(shè)發(fā)展迅速，越來越多的輸水隧洞投入運營使用。同時，隨著城市化的發(fā)展，各類道路工程建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行。這就可能出現(xiàn)后續(xù)工程對先前工程產(chǎn)生不利影響的情況，例如在既有隧洞上方新建公路，公路完工投入使用后的車道荷載會對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，對隧洞襯砌造成不利影響。

仇敏玉[1]用數(shù)值模型分析得知行車荷載在軟土地基的影響深度可達(dá)到18 m；劉明[2]分析了車振荷載引起的隧道長期沉降；郭翔宇[3]分析了已建成隧道上方受到修建建筑物荷載的不利影響；何云勇[4]分析了高速公路填方路基及運營汽車荷載給既有淺埋引水隧洞帶來的不利影響；邵珠山[5]分析了行車荷載對淺埋黃土隧道穩(wěn)定性的影響。這些研究者主要分析沉降變形規(guī)律，對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)開裂的分析較少，故此方面尚需進(jìn)行更深入的研究。這些文獻(xiàn)也表明了新建公路對既有隧洞襯砌結(jié)構(gòu)確實會造成諸多不利影響。針對既有隧洞襯砌結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)病害的情況，新建公路的不利影響更需加以考慮，適時有必要對隧洞采取加固措施。

目前關(guān)于水工輸水隧洞襯砌的加固方法主要有：加大截面法、預(yù)應(yīng)力法、內(nèi)套鋼拱架法、粘鋼加固法、粘貼碳纖維布法等，這些方法各有優(yōu)缺點與適用條件。近年來粘鋼加固與粘碳纖維布加固運用較多，單成林[6]和任偉[7]都做過相應(yīng)的對比試驗。粘鋼加固法工藝簡單，施工便捷，可預(yù)制鋼板快速粘貼施工，作業(yè)時間短。薄層鋼板也不會顯著增加結(jié)構(gòu)自重，還能防止襯砌開裂導(dǎo)致的內(nèi)水外滲，加固效果較好。

本文以碧沙北路道路工程跨碧嶺隧洞為例，基于通用有限元分析軟件ANSYS，考慮襯砌混凝土材料非線性特性，分析了新建公路對隧洞變形和開裂造成的不利影響以及粘鋼加固的效果?？蔀樗矶磁c公路、鐵路交叉施工等類似工程的加固方案提供類比參考。

1 有限元模擬計算

1.1 工程背景

碧嶺隧洞位于東江水源工程供水網(wǎng)絡(luò)干線的東部，全長17 930 m，為無壓隧洞。隧洞為城門洞型，上半部為半圓拱，半徑為2.1 m。下部為直邊墻平底，隧洞斷面凈寬4.2 m，凈高5.3 m。初期支護(hù)為錨噴支護(hù)，沿隧洞正截面左右邊墻各布置4根橫、縱向間距均為1 m的長2.5 mφ18錨桿，噴15 cm厚C20素混凝土。二次支護(hù)為模筑拱、墻30 cm厚，底25 cm厚的C25混凝土，隧洞襯砌設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 隧洞襯砌設(shè)計圖(單位：mm)

隧洞埋深23 m，圍巖類別為Ⅴ類圍巖，巖性較差。該隧洞屬長期“帶病”運行，多年來還未對隧洞裂縫進(jìn)行加固處理。故采取加固措施更顯得十分必要。粘鋼加固方案為采用2 mm厚的灌注型親水環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠粘貼10 mm厚Q235B級鋼板，全斷面粘鋼加固[8]。道路施工開挖后將減小隧洞上方覆土埋深6m，即最終隧洞上覆土層厚度僅為17 m。設(shè)計公路為雙向6車道，寬24 m。公路和隧洞交叉段示意如圖2所示。

圖2 兩項工程交叉示意圖

1.2 有限元模型

1)模型范圍。建立了圍巖土體、初次襯砌、二次襯砌、錨桿、粘貼鋼板在內(nèi)的整體有限元模型。以隧洞底板中心為原點，采用笛卡爾坐標(biāo)系，上23 m(其中上覆土層17 m，開挖土層6 m)，下20 m，左20 m，右20 m。沿水流方向取12 m。

2)單元類型。圍巖土體采用solid45模擬，便于初始地應(yīng)力的平衡；初次襯砌和二次襯砌都用solid65模擬，可以定義材料的非線性特性來模擬襯砌混凝土的開裂；錨桿采用beam188模擬，既能模擬錨桿的軸向拉壓，還能模擬錨桿所受到的剪力和彎矩，通過節(jié)點耦合將錨桿與土體和初襯建立相互作用關(guān)系；粘貼鋼板用shell181模擬，可通過定義多層殼的厚度及材料種類模擬鋼板和結(jié)構(gòu)膠的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過共節(jié)點與二次襯砌建立相互作用關(guān)系，不考慮粘貼鋼板的滑移。

3)接觸分析。采用Conta174和Targe170單元建立面-面接觸對模擬初次襯砌和二次襯砌的相互作用關(guān)系，可實現(xiàn)剛體-柔體接觸只傳遞法向壓應(yīng)力的作用。

4)位移約束。模型底部施加全約束，左右及前后端部施加法向約束。

整體模型、襯砌錨桿結(jié)構(gòu)模型、模擬粘鋼界面的多層殼單元分別如圖3～圖5所示，計算模型共有節(jié)點90 792個，單元87 881個。

圖5 模擬界面粘鋼的多層殼單元

1.3 材料參數(shù)

二襯混凝土采用William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則[9]，關(guān)系式表述為：

式中：F為主應(yīng)力狀態(tài)；S為破壞曲面(表示為主應(yīng)力狀態(tài)和5個參數(shù)ft，fc，fcb，f1，f2的函數(shù))；若應(yīng)力滿足上式，有主拉應(yīng)力將導(dǎo)致混凝土構(gòu)件拉裂，而有主壓應(yīng)力則將導(dǎo)致混凝土構(gòu)件壓碎。各強(qiáng)度參數(shù)的含義如下：

1)單軸抗壓強(qiáng)度fc(η=60°，fc>0)；

2)單軸抗拉強(qiáng)度ft(η=0°)；

3)雙軸等壓強(qiáng)度fcb(η=0°，fcb>0)；

4)靜水壓力值ξ；

5)受拉子午線上較高壓應(yīng)力的實測強(qiáng)度坐標(biāo)點(ξ1，f1)；

6)受壓子午線上較高壓應(yīng)力的實測強(qiáng)度坐標(biāo)點(ξ2，f2)。

理論分析可知鋼板和錨桿均不會達(dá)到屈服，初襯不考慮非線性，材料參數(shù)見表1?？紤]隧洞二襯裂縫較多強(qiáng)度不足，故將其強(qiáng)度乘以安全折減系數(shù)0.8，更符合實際并偏于安全。

表1 材料參數(shù)

1.4 工況荷載組合

計算考慮的荷載：重力；3.5 m水頭的內(nèi)水壓力；外水壓力0.08 MPa；車道荷載由道路設(shè)計單位通過基底附加應(yīng)力計算得出為230 kPa。

先施加重力求解，生成初始地應(yīng)力文件，再讀入初始地應(yīng)力文件，激活錨桿、初襯和二襯單元，施加重力求解，模擬隧洞成洞施工。之后計算如下工況，如表2所示。

表2 工況荷載

2 計算結(jié)果與分析

2.1 有限元計算結(jié)果

根據(jù)圖6所示隧洞變形情況，分別計算接觸間隙、頂拱、邊墻和底板這四個特征變形量，用來表征隧洞的變形趨勢。根據(jù)混凝土的破壞準(zhǔn)則，用solid65單元模擬二次襯砌混凝土的非線性開裂，得到襯砌開裂圖，圖中藍(lán)色表示開裂，紅色表示未開裂，在二次襯砌各部分單元尺寸相同的條件下，統(tǒng)計開裂單元的位置和數(shù)量即可定性分析開裂位置并定量分析裂縫擴(kuò)展范圍。

圖6 特征位置變形示意圖

初始正常運行、車道影響以及粘鋼加固這三種工況的對比計算結(jié)果如圖7、8所示，變形量與開裂情況統(tǒng)計見表3、4。

圖7 接觸脫開變形對比圖

圖8 開裂對比圖

表3 變形結(jié)果 mm

表4 開裂單元數(shù)量

2.2 新建公路的影響分析

新建公路后開挖了6 m覆土，公路隧洞交叉段受車道荷載的影響更明顯。邊墻最大凹陷變形由1.085 mm增大到1.421 mm，底板最大隆起變形由5.671 mm增大到6.244 mm，接觸最大脫開變形間隙由4.981 mm增至5.73 mm，位于底板中部，但頂拱最大沉降變形由3.063 mm減小到2.373 mm，可知上覆土的重力對頂拱沉降變形影響較大，覆土厚度減小導(dǎo)致頂拱沉降變形減小。邊墻與底板交匯處和底板中部的原有裂縫有逐步擴(kuò)展的趨勢，底板新增了149個開裂單元。邊墻中部出現(xiàn)了大量新增裂縫，新增了600個開裂單元。頂拱起拱處也出現(xiàn)了小范圍開裂，新增96個開裂單元。整體新增開裂單元共845個，占原有開裂單元的比例達(dá)46.28%。

故新建公路對隧洞襯砌確會造成一定的不利影響，主要表現(xiàn)為底板中部初襯和二襯脫開間隙變大，邊墻和底板變形增大并出現(xiàn)大范圍的開裂。隧洞開裂加劇內(nèi)水外滲，從隧洞的長期安全穩(wěn)定運行考慮，需對隧洞采取加固措施。

2.3 粘鋼加固效用分析

可知在新建公路前粘鋼加固隧洞，能在一定程度上減少車道荷載對隧洞襯砌的不利影響。加固后邊墻最大凹陷變形由1.421 mm減小到1.033 mm，底板最大隆起變形由6.244 mm減小到5.378 mm，接觸脫開間隙由5.73 mm減至4.54 mm，但頂拱沉降變形由2.373 mm增大到了3.022 mm。可知粘鋼加固后邊墻和底板位置的不利變形受限，變形減??；而頂拱中部位置的壓力集中，最大沉降變形略有增大。

由開裂情況可知，加固后邊墻中部開裂范圍顯著減小，只有右邊墻中部出現(xiàn)了小范圍開裂，邊墻開裂單元由852個減小到414個，頂拱起拱處也未出現(xiàn)開裂。但邊墻與底板交匯處和底板中部的裂縫加固效果不好。原因可能是二次襯砌底板在初始運行狀態(tài)下裂縫太多，底板本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著降低，再進(jìn)行粘鋼加固處理效用不明顯。建議對底板原有裂縫進(jìn)行灌漿加固和粘鋼加固聯(lián)合處理，或能取得更好的加固效果。加固后總體上新增開裂單元減小了500個，占原有開裂單元的比例降低至18.89%，粘鋼加固對防止襯砌開裂效用較顯著。另一方面，鋼板也可以防止襯砌貫穿裂縫形成滲漏通道而發(fā)生內(nèi)水外滲的現(xiàn)象。因此，粘鋼加固對提高既有隧洞在新建公路后襯砌結(jié)構(gòu)的長期安全穩(wěn)定性具有較良好的效果。

3 結(jié) 語

本文以碧沙北路道路工程跨碧嶺隧洞為例，分析了在既有隧洞上方修建公路對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)造成的不利影響與粘鋼加固的效用。結(jié)果表明：

1)新建公路產(chǎn)生的車道荷載會導(dǎo)致邊墻凹陷、底板隆起、初襯與二襯脫開等不利變形增大，并新增大量裂縫。公路與隧洞交叉施工時需加以考慮。

2)粘鋼加固能有效減小底板、邊墻、初襯與二襯脫開間隙的變形量，防止襯砌原有裂縫擴(kuò)展，減少襯砌新增開裂。通過粘鋼加固處理后新增開裂占原有開裂的比例由46.28%降至18.89%，加固效果良好。

3)對于原有裂縫很多的位置，襯砌強(qiáng)度不足，加固效果較差?？煽紤]采用先灌漿加固修補(bǔ)原有裂縫，再粘鋼加固的聯(lián)合處理方法，或能取得更好的加固效果。