高速公路运营隧道病害整治探讨

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摘要： 本文结合工程实例，根据隧道病害情况和隧道检测报告，利用Midas GTS对隧道衬砌结构的变形和内力进行分析，探讨隧道相关整治措施，对已通车运营的隧道进行整治，以期为隧道病害治理工作提供参考。

Abstract： Combining with project examples and according to the situation of tunnel disease and tunnel test report， this paper uses Midas GTS to analyse the deformation and internal force of tunnel lining structure， discusses the related regulating measures for the tunnel， so as to fix the tunnel which has already opened to traffic. Thia paper hopes to provide references for tunnel disease fixing.

关键词： 隧道病害整治；Midas GTS；受力分析

Key words： tunnel diseases fixing；Midas GTS；force analysis

中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0078-03

0 引言

随着我国交通设施建设大力发展，修建的隧道越来越多，质量也越来越高，然而受地质、设计等多方面因素的影响，隧道运营后存在渗水、衬砌开裂、路面隆起开裂等病害，不仅使线路级别下降，还威胁交通运输的安全。

1 工程概况

某高速隧道全长4865m，施工起止桩号为K82+310～K87+175，设计时速为80km/h，隧道建筑限界净宽10.5m（2×3.75m行车道+2×0.75m余宽+2×0.75m检修道），净高 5.0m。洞内路面采用水泥-沥青复合式路面结构，其中部分采用18cm厚CF40钢钎维混凝土+10cm沥青混凝土，部分采用24cm厚C35水泥混凝土+10cm沥青混凝土。围岩主要为页岩、石英砂岩、灰岩、泥岩等，隧道施工中曾遇到断层、岩溶、有毒气体和侵蚀性地下水等工程地质问题。隧道自2008年通车后现已出现混凝土衬砌起皮脱落、衬砌渗水、流水、裂缝，路面开裂、积水、隆起，检修道缺损、变形、破碎等病害情况严重影响隧道运营安全。隧道运营管理单位委托第三方检测单位对该隧道右幅部分区段进行了检测，内容包括隧道外观检测、地质雷达检测、衬砌混凝土强度无损检测、隧道净空断面检测、隧道路面线性检测、钻孔取芯和水质及其腐蚀性检测。

2 隧道受力分析验算

根据现场勘查和隧道的检测报告对隧道进行受力分析计算。本次计算采用Midas GTS对隧道衬砌结构的变形和内力进行分析，计算采用“荷载-结构”模型，按隧道的不同围岩级别及相应的设计衬砌结构形式分别计算，然后根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）进行结构承载能力复核，最终评价隧道结构的安全性能。

2.1 建模 对衬砌结构采用“荷载-结构”模型进行验算，以衬砌中线作为结构计算线，建模时将二次衬砌结构离散为若干个有限元直梁单元。见图1。

2.2 衬砌及围岩物理力学参数选择 本次力学分析对Ⅳ、Ⅴ级围岩分别进行计算，C25混凝土取值重度23KN/m3，弹性模量29.5GPa，泊松比0.2。

2.3 荷载计算 在荷载的算中，围岩级别区段的竖向压力均按照《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）的要求，按公式计算得出。围岩的弹性抗力系数K=0.5×106kN/m。

围岩竖向均布压力：

q=0.45×2s-1rω

式中：s―围岩类别，此处取s=4、5；

r―围岩容重，此处取r=25kN/m3；

ω―跨度影响系数，ω=1+（B-5）i，毛洞跨度B=12.20+2×0.06=12.32m，其中0.06 为一侧平均超挖量，i=0.1。 所以，有ω=1+0.1×（12.32-5）=1.732。

围岩水平均布压力：

a=a/q

a―根据隧道设计规范，围岩不同取值不同。

深埋荷载取值其中Ⅳ围岩隧道竖向荷载155.88KN/m2，水平均布侧压力38.97 KN/m2，Ⅴ级围岩隧道竖向荷载274.35KN/m2，水平均布侧压力68.59 KN/m2。

2.4 计算结果

a、IV 级围岩

由计算得知，IV级围岩深埋衬砌所受最大弯矩出现在边墙处，数值为599.892kN*m，受力较合理。整环衬砌均承受压应力，最大压应力集中在边墙处，数值为1075.11kN。

b 、Ⅴ级围岩

由计算得知，Ⅴ级围岩深埋衬砌所受最大弯矩出现在边墙处，数值为1043.08kN*m，受力较合理。整环衬砌均承受压应力，最大压应力集中在边墙处，数值为1821.43kN。

2.5 计算结果分析 为分析衬砌结构的安全性，以下根据上述内力计算结果，计算出衬砌结构的安全系数，对衬砌的安全性能进行检验，并和设计厚度的衬砌安全系数进行对比。根据规范规定，混凝土偏心受压构件按破坏阶段进行强度验算。具体计算方法为根据材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力N，与实际内力相比较，得出截面的抗压（或抗拉）强度安全系数，检查其是否满足规范要求，即：

K=N极限/N≥K规当由抗压强度控制，即e=M/N≤0.2h时：

N极限=？准・α・Ra・b・h

其中：

？准――构件纵向系数，隧道衬砌取1；

Ra――混凝土（C25）极限抗压强度，此处取19MPa；

α――轴力的偏心影响系数，按以下经验公式确定：

α=1-1.5・e/h

b――截面宽度，取1m；

h――截面厚度（衬砌0.5m ）；

当由抗拉强度控制，即e=M/N≥0.2h时：

N极限=？准・（1.75・R1・b・h）/（6e/h-1）

其中：R1――混凝土（C25）极限抗拉强度，此处取2.0MPa。

利用以上内力数据，并根据规范公式，计算全断面各单元的衬砌强度安全系数，对衬砌的安全性能进行检验。Ⅴ级、Ⅳ级围岩衬砌设计上二次衬砌采用了模筑混凝土，不考虑配筋，检算中由抗拉强度控制时，按照混凝土极限抗拉强度进行检算。经验算，各单元的强度系数均满足现行规范的要求。可以判断原设计衬砌结构强度能满足规范要求，结构安全可靠。

3 隧道病害治理措施

根据隧道现场调查以及隧道检测报告，参考目前国内外隧道病害治理方面的经验，经专家评审对隧道的K1585+503～K1585+693和K1586+173～K1586+313两区段病害提出如下治理措施：

3.1 隧道衬砌混凝土厚度不足 对围岩级别较低，裂缝较为发展的地段，衬砌混凝土厚度不足时采用锚喷结合的措施对衬砌进行加固，锚杆采用？准16螺纹钢L=20cm@80×80cm，喷射混凝土厚5cm。

3.2 隧道渗漏水 在衬砌表面或接缝涌流水的位置的混凝土表面开凿环向槽，在槽内向围岩方向钻孔，孔的直径8cm，深200cm，然后向孔内插入直径5cm，靠围岩的一端用土工布包扎的PE塑料花管，PE塑料花管之间通过三通管与环向塑料排水管连接，环向塑料排水管固定在槽中，将水引入路缘排水边沟；安装环向PE管的槽用“立止水”瞬间堵漏剂填实到距衬砌表面1～2mm，再用“优止水”高效防水剂涂刷。对于衬砌变形缝，还应在填塞“立止水”瞬间堵漏剂的中间填塞1mm厚的高效遇水膨胀胶；必要时，应先在出水点周围打设注浆孔，采用0.3～0.5MPa的注浆压力向衬砌内注浆，注浆完成后再引排地下水。

3.3 隧道裂缝加固处理 对于隧道出现的缝宽小于2mm的环向、纵向及斜向裂缝，只做常规加固处理。对于隧道外荷载作用所致衬砌结构出现以下情况时，采用设环形HK140b型钢以及喷混支护的综合加固措施。

3.4 路面开裂、隆起 由于该隧道路面开裂、隆起路段存在地基软弱现象，因此采取先对该处地基注浆加固，然后施作仰拱，最后再恢复路面结构的加固措施。

3.4.1 地基注浆加固

采用边墙？准168钢管桩+基底？准42小导管注浆加固措施。？准168钢管桩、？准42小导管长均为5m，矩形布置，间排距均为1m，注浆材料采用1：1纯水泥浆，注浆压力0.5～1.5MPa，保压2～3分钟不再进浆，在注浆孔口处安设压力表加以控制。注浆加固的同时起到堵水作用，并将裂隙水引入中央排水沟。

3.4.2 重做路面结构

对路面开裂、隆起、凹陷路段路面重新进行拆除重建处理，要求施工方按路基路面施工技术规范实施。重建路面结构采用11cm C20素混凝土垫层+22cm厚CF40钢纤维水泥混凝土基层+10cm厚沥青混凝土面层。

3.5 检修道变形损坏 由路面不均匀沉降引起的检修道变形、损坏，一般是伴随路面开裂而产生，因此需要先对路面不均匀沉降进行处治，然后纠偏、修补检修道。对于破损严重的检修道需要重新更换。由检修道本身几何尺寸和质量问题引起的变形损坏：需重新更换检修道，使其几何尺寸和质量满足使用要求和相关规范要求。

4 结束语

通过对病害隧道的无损检查和受力分析计算提出合适的治理措施，对运营隧道进行为期40天左右封闭交通整治施工，取得较为理想的效果。

参考文献：

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