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隧道二次衬砌欠厚整治技术探究

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Series No.502 April 2018 金 属 矿 山 总第502期 2018年第4期 METAL MINE 隧道二次衬砌欠厚整治技术探究 李 科 (中国建筑第七工程局有限公司西南公司,重庆400000) 摘要二次衬砌厚度不足病害直接降低隧道结构的可靠度。以某隧道为研究对象,对左线和右线二次衬砌厚 度不足病害进行整治,从纵向里程变化和横断面不同位置两个方面对病害进行统计分析,采用结构计算软件对衬砌 结构受力进行数值模拟以验证整治效果,以期能够为隧道二次衬砌厚度不足病害整治提供借鉴。取得结果如下:① 在横断面位置上,拱顶处二次衬砌厚度不足病害最严重,且由拱顶经拱腰至拱脚,缺陷率依次减小;②在纵向里程上, 左线拱顶处ZK125+400~ZK125+800、拱腰处ZK126+200~ZK127+200、ZK127+400~ZK128+200段,右线拱顶处 K125+900~K127+800段,左拱腰处K125+400一K126+400,右拱腰处K126+600~K127+600段二次衬砌厚度不足病 害最严重,建议加强衬砌质量检测;③得到二次衬砌厚度不足病害整治前后衬砌结构的内力及安全系数变化,整治后 衬砌结构的承载力明显增强,拱腰和墙脚处安全系数显著增大,十分利于坑道侧壁的受力,证明整治措施有效。 关键词 隧道二次衬砌病害对比分析数值模拟 内力及安全系数 中图分类号U45 文献标志码A 文章编号1001—1250(2018)一04—082—06 DoI 10.19614/i.cnki.isks.201804014 Research on the Disease Treatment of Secondary Lining Thickness Lack in Tunnel Li Ke (Southwest Corp.of China Construction Seventh Engineering Division.Corp.Ltd.,Chongqing 400000,China) Abstract The disease of secondary lining thickness lack directly reduces the reliability of tunnel structure.Taking a cer— tain tunnel as the research object,the secondary lining thickness lack at its left line and right line were treated,and statistical analysis on the diseases was made from two aspects of variation of longitudinal mileage,and different positions of cross section. The numerical analysis software was used to numerically simulate the stress of lining structure and to verify the performance of treatments,aiming to provide some references for treatment of tunnel lining disease.The main achievements were listed as fol— lows:①On the cross·sectional position,the most serious disease of lining thickness lack is in the position of vault,and the de— feet rate decreases sequentially from the vault to hance,and then to arch foot.②In the longitudinal mileage,there are a lot of sections with more serious disease of secondary lining thickness lack,including the section of ZK1 25+400~ZK1 25+800 at vault of left line,ZK126+200~ZK127+200 and ZK127+400~ZK128+200 at hance of left line,as well as the section of K125 +900~K127+800 at vault of right line,K125+400一K126+400 at left hance,K126+600~K127+600 of right hance.So it is suggested to strengthen the monitoring of tunnel lining quality. ̄The variation of internal force and safety factor of lining strae— ture before and after its treatment on secondary lining thickness lack were grasped,showing that there is a signiicantfly increase in the bearing capacity of lining and in the safety factor of the hance and the arch foot,which is beneficial to the force of tunnel side wal1.It proves that the treatment is effective. Keywords Tunnel,Secondary lining,Contrast and analysis of disease,Numerical simulation,Internal force and safety factor of lining 近年来我国隧道建设取得长足发展,数量和里程 不断增加,截至2015年底,全国运营铁路隧道13 411 难免产生病害现象 引。二次衬砌厚度不足病害直接 威胁隧道结构的可靠性,削弱衬砌结构整体强度及稳 定性[6-8]。基于此,国内隧道领域专家纷纷采用数值 模拟、理论分析及模型试验等方法进行相关研究,如 座、总里程13 038 km,运营公路隧道14 006座、总里 程12 684 km…。然而,在隧道建设蓬勃发展的同时, 收稿日期2017-11—29 作者简介·李科(1972一),男,高级工程师。 82· 李 科:隧道二次衬砌欠厚整治技术探究 王梦恕等 采用数值分析对纤维布补强地铁隧道结 构进行r模拟;张顶立等 。对不同围岩级别条件下 隧道幸、『砌背后的接触状态进行了分析; 士民等 采,F}=j室内模型试验埘隧道衬砌结构渐进性破坏机理 进行r研究 本文在国内相关学者研究的基础上,以 某隧道为研究对象,对隧道二次衬砌厚度不足病害擎 治进行较为全而的论述,通过衬砌质艟检测,结合隧 道相关设计及施 1 概况,基于相关规范规程,对左线 和右线■次衬砌厚度 足病害进行对比恪治分析,采 用结构汁算软件对 治前后衬砌结构的受力进行模 拟,得剑其内力变化以验证整治措施效果,进而为隧 道病害整治提供借鉴 l 工程概况 1.1 隧道规模 菜隧道主洞净宽10.25Ⅲ、净离5 iTl,没计通车速 度80 km/h,设计倚载为公路l级。隧道规模如表1 所示、 表1高速公路隧道规模 Table 1 Scale of tunnel :蚁涮分离式隧遁 1.2自然地质条件 隧址区位于H‘孜州康定县,属四川盆地西缘… 地,为盆地到青减高原的过渡地带。隧址区山脉纵 横,地表崎岖,由于地壳抬升作用剧烈,遭到强劲的外 ,,J剥蚀,在冰川I、流水、烈日等因素的作J_}j下,山地切 割强烈,形成复杂多样的地貌类型。 隧址区大地构造J 处于扬子地台西缘次一级构 造 7£龙门【IJ、大巴山台缘断褶带之西南端,西邻康 滇地轴,东接四川I台拗. 北侧相邻松潘~甘孜地槽 皱系 、构造部位I 处于NE向龙门山断裂带和NW 向鲜水河断裂带及SN阳安宁河断裂带构成的“Y” 彤构造交汇部位尔侧,具体构造部位处于龙门…断裂 带西南段内。主要地层为新生界第四系全新统崩坡 积层块 、第四系全新统泥石流堆积层块石及元古界 晋宁一澄江第四期斜长花岗岩。 隧址区地表水主要来自多条沟渠,沟内常年有水 日.水 较为允沛;地下水补给源主要为大气降水和地 表水直接或问接渗入补给。水文地质条件较简单,除 沟床漂白、块卵砾石及水 下强风化基岩的含水性和 透水性好、地下水丰富外,其余基岩和第四系土层含 水件均较差,地下水不。t富。山于地形破碎、切割深 2018年第4期 度较大,地下水 流途径短、水交臂循环快 1.3二次衬砌厚度不足病害整治范围 根据隧道运营期间现场检测结果,确定二次衬砌 度 足病害恪治范围为左、右线全段。 2二次衬砌厚度不足病害统计 分别于左右边墙、左右拱腰及拱顶处在隧道左线 及右线布置5条侧线,采用地质惯达对二次衬砌厚度 进行检测 、其中,左线每条测线检测点为184个, 线每条测线检测点为146个 , 现场榆测图及地 质雷达图灰度 殳【1图1所示 一 0.5一 _二 - 1.0一 (h)地质 』业I 图1 现场检测及地质雷达灰度图 Fig.1 On-site detection and geological radar grayscale map 对现场检测结果进行数据分析,得到隧道横断而 /f 同位置处二次衬砌厚度缺陷牢,如图2所示 横 『 似 图2横断面不同位置处二次衬砌厚度缺陷率 Fig.2 De ̄ct rates of lining thickness at difierent locations of cross section _一左线;· 线 由 2可知:在横断面 ㈣位置_【 ,拱顶处衬砌 厚度缺陷率最大,山拱顶至拱脚,衬砌厚度缺陷率依 次减小。拱脚及边墙处衬砌厚度缺陷率远低于拱顶 搜拱腰处,夺研究只分析拱顶及拱腰处二次衬砌厚度 在纵向里程卜的变化,分别如 3、图4所示。 .83· 总第502期 金 蕊 砖 2018年第4期 善 画 蹬 起 5 4 O O O 2 O O O 0 0 O 0 § 画 :l11】j 靶 1 1 O O.4 O.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 纵向里程ZK125+/kin (a)拱顶 纵向里程ZK125+/kin (b)拱腰 图3左线横断面不同位置处衬砌厚度差值在纵向里程上的变化 Fig.3 Variations of lining thickness at diferent locations of cross section of the left line on the longitudinal mileage § 吕 暑 趔 趔 越 恕 意 恕  11 纵向里程K125+,km (a)左拱腰 纵向里程K125+,km (b)拱顶 纵向里程K125+/km (c)右拱腰 图4右线横断面不同位置处衬砌厚度差值在纵向里程上的变化 Fig.4 Variations of lining thickness at different locations of cross section of the right line on the longitudinal mileage 由图3及图4可知:拱顶相对拱腰、边墙处二次 0 2 O 0 0 0 0 级,覆土重度为 =20 kN/m ,依据《JTG D70--2004 公路隧道设计规范》,求得IV级围岩深埋隧道垂直 均布压力为q=109.8 kN/m ,水平均布压力按最大 取e=33.0 kN/m。。采用ANSYS对整治前上述断面 衬砌结构的受力进行模拟,隧道横断面共104个节 0 衬砌厚度不足负差值占比例更大,衬砌的结构特性及 模筑混凝土施工工艺使得拱顶处二次衬砌厚度不足 病害最严重;横断面不同位置处二次衬砌厚度不足差 值在纵向里程上的变化亦存在差别。 3二次衬砌厚度不足病害整治 3.1病害最严重断面受力状态 点,编号1~104为仰拱中心经右拱腰至拱顶中心、再 经左拱腰至仰拱中心。套衬加固及钢带加固整治前 衬砌结构及其内力图分别如图5及图6所示。 3.2确定病害整治措施 3.2.1套衬加固 二次衬砌厚度不足会降低衬砌结构的承载能力, 降低其强度和整体稳定性。隧道为高速公路隧道,若 将厚度不足病害严重断面处的二次衬砌结构全部打 掉、拆除重建,不仅对隧道内交通的正常运行造成不 利影响,而且会产生很大的经济成本,若拆除不合理 整治措施流程如图7所示。 同样采用ANSYS对整治后上述断面衬砌结构的 亦会对周边衬砌结构造成破坏。 基于相关规范规程,采取如下措施对二次衬砌厚 受力进行模拟,得到整治前后内力变化。为便于计 算,结构分析时采用如下假设:①认为围岩为理想弹 塑性材料;②认为钢拱架与喷射混凝土、补强结构与 原二次衬砌结构均黏接性良好,均作为一个整体共同 承载、共同变形。补强结构的弹性模量计算: E=Eo+ , 度病害进行整治:衬砌设计厚度与检测厚度之差不小 于10 cm段,采用套衬加固整治;二者厚度之差在5 ~10 cm段,采用钢带加固整治。分别选取上述2种 整治措施下二次衬砌厚度不足差值相对设计厚度最 大的断面进行分析,仰拱和拱部厚度均为0.4 m,套 衬加固及钢带加固整治断面拱顶二次衬砌厚度分别 为0.1、0.32 m。 式中, 为补强结构的弹性模量;E 为模筑混凝土弹 性模量;S 为模筑混凝土横截面积;E 为钢架弹性模 量;S 为钢架横截面积。 隧道宽度为l0.25 m,所取断面处围岩级别为IV .84. 李科:隧道二次衬砌欠厚整治技术探究 2018年第4期 舳∞ 加0 枷 珈 昌 杰 岜 中心 z 静 暴 0 8 1624 324048 566472 8O88 96 104 横断面不同位置编号 横断面不同位置编号 一~ 0 8 1624324O48 56647280 8896104 横断面不同位置编号 (a)整治后弯矩 (b)整治后轴力 图l1钢带加固后衬砌结构内力 幂 (a)整治后剪力 一  一一 一  一一  一一 一 Fig.11 Diagram internalter steel belt reinforcement 5  force of li6 6 7 7 nging af8 8 9 9 如∞如∞∞∞如∞如 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 0 O O 0 0 0 O 0 搴 Z 岜 静 0 8 1624 324048 566472 8088 96 104 0 8 1624324048 56 6472 80 8896104 0 8 l6 24324048 566472 8O 88 96104 横断面不同位置编号 横断面不同位置编号 横断面不同位置编号 (a)整治前后弯矩 z 襁 (b)整治前后轴力 (C)整治前后剪力 图12钢带加固前后衬砌结构内力对比 z 襁 Fig.12 Collation map of internal force of linging before and after steel belt reinforcement 一一一 一一一 ∞ 如 0 蚰 ∞ _一套衬加固整治前;·一套衬加固整治后 ∞ ∞ O 如 ∞ 安全性研究[J].中国安全科学学报,2016(7):85-90. 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