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1、公路隧道 2 0 1 3年第 1 期 总第 8 1 期 大跨度公 路隧道病 害分析及 结构 安全性评估 秦之 富谢锋 招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆4 0 0 0 6 7 摘 要某隧道为高速公路上的一座双向六 6 车道大跨度公路隧道 该隧道在施工期间出现衬砌裂缝 渗漏水 裂缝对衬砌结构产生切割 影响到隧道的整体结构安全 本文介绍了该隧道病害情况 并根据病害特征进行结构 安全性评估分析 为隧道的处治方案提供科学依据 关键词 大跨度公路隧道结构安全评估分析 1 工程概况 某隧道为高速公路上的一座分离式双向 6车道 隧道 净 宽 为 1 5 2 m 净 高 为 8 0 0 m 失 跨 比 为
2、0 5 2 6 为大跨度偏平隧道结构 隧道长 1 7 0 0 m 设计 车速为 1 0 0 k m h 隧道围岩主要 为灰岩 泥灰岩及 炭质灰岩 受多条断层破带影响 岩溶和溶蚀构造发 育 岩溶 以软泥填充 遇水呈流塑状 裂隙发育区 岩 体较破碎 岩层受挤压区及褶 曲轴部 岩体呈块状结 构或镶嵌碎裂性结构 沿破碎带及岩溶发育段有利 于脉状裂隙水 岩溶地下水活跃 特别在雨季 隧道在施工期间左 洞 Z K6 0 0 0 0 6 5 Z K6 t 6 4 7 7 8 7和右洞 YK6 6 3 0 7 5 0等段落即 出现 了严重 的纵 斜 向密集的衬砌裂缝 和严重 的渗 漏水等病害 严重影响到隧道结构
3、安全 为保证隧 道结构的稳定与安全 对该隧道病害段进行结构安 全性评估分析 本文 以 Z K6 6 4 7 7 8 7段介绍 大跨度公路 隧道病害原因分析及安全性评估 2 衬砌开裂及衬砌结构情况 2 1 衬砌裂缝和渗漏水情况 该段裂缝密集 斜 向裂缝 2 1 条 其中有 5处裂 缝渗水 裂缝呈组出现 或呈树叉型发展 裂缝宽主 要在 0 5 2 mm 之间 延长 8 1 2 m 个别 长达到 1 8 m 裂缝主要分布在边墙至拱腰部 拱部也有少量 裂缝 局部裂缝密集处 衬砌结构 受裂缝的切 割对 其整体性和承载能力影响较大 2 2 衬砌结构情况 1 衬砌混 凝土强度 其换算 值范 围在 2 6 5
4、 4 0 8 MP a 之间 平均值为 3 5 3 MP a 2 衬砌 7 昆凝 土厚度 二 次衬砌厚 度值在 4 4 9 9 c m范围 设计值 6 0 c m 局部位置存在欠厚 欠厚 1 2 值一般在 l 5 c m之间 个别点最大欠厚值 1 6 c m 3 二次衬砌内层钢筋保护层厚度 根据设计 资 料 二次衬砌 内层钢筋保护层厚度为 5 6 5 c m 该 段衬砌 内层钢筋保护层厚实测值一般大于 1 0 c m 拱 顶到右边墙位置的保护层厚度达到 2 0 3 0 c m 4 该段衬砌背后存在局部脱空和不密实区 3 病害原 因分析 1 地质原因 围岩较差 基本处于岩溶和溶蚀构造区 围岩为
5、松散土体 地下水丰富 稳定性差 呈流塑状 局部有 未溶蚀 的破碎灰岩存在 Z K6 6 3 4 6 6 8段 出 现坍塌 地表出现多处塌陷 在该段 的两隧道中间岩 柱岩溶发育 存在相互联通的可能 地基承载能力不够 隧道底岩性 以中风化炭质 灰岩 泥灰岩和石灰岩为主 节理裂隙较为发育 局 部存在小孔洞或小型溶洞 个别溶洞内充填残坡积 土 地下水以岩溶水和基岩裂隙水为主 地下水位 较高 隧底承载力约在 6 0 0 k P a 2 施 工方 法原 因 隧道采用双侧壁法和台阶法上台阶留核心土法 施工 施工中过早拆除临时支撑 使 围岩变形过大 松动范围增大 增加 了围岩荷载 3 设计原因 由于围岩比原设
6、计的差 在后期的处理过程中 对地质条件变化认识不足 加强的设计参 数强度不 够 底部基础没有得到较好的处理 4 外荷载作用 岩溶发育结构背后空洞没有处理好 使结构受 力不均匀 产生应力集中等现象 同时底部基础承载 力不足和不均匀 在受外荷载振动 冲击 Z K6 6 6 8 Z K6 6 3 4围岩塌方 影响 引起衬砌开裂 秦之 富等 大跨度公路 隧道病害分析及结构安全性评估 5 施工质量原因 YK6 6 3 0 6 6 0 Z K6 6 7 0 7 1 0段二次 衬砌配筋内层钢筋保 护层厚度过大 使两层钢筋间 距减小 减小了钢筋混凝土的有效承压力面积和抗 弯能力 同时钢筋 间距大于设计值 减少
7、 了钢筋混凝 土的整体承载能力 这些施工质量缺陷也是衬砌开 裂的原因 4 结构安全性计算 根据隧道病害段特点及病害原因采用荷载一结 构法选取 Z K 6 7 0 8 典型断面进行结构安全性计算 分析 4 1 荷载计算 根据设计资料可知 Z K6 7 0 8断面 围岩级别 为 V强 级 参考 公 路 隧 道设 计 规范 J TG D7 0 2 O 0 4 该断面的计算参数如下 围岩重度 y 一2 0 k N m 隧道埋深 h 一7 6 m 隧道跨度 B一1 5 2 m 隧道净高 h 一9 8 m 围岩摩擦角 一2 3 围岩计算摩擦角 c 一4 5 该断面埋深为 7 6 m 根据隧道深浅埋隧道计算
8、 分析 该断面的荷载应按深埋隧道进行计算 隧道高跨比 h B 0 6 4 1 7 根据地形地貌 等现场调查 该段无显著偏 压及膨胀力 即可根据 公路隧道设计规 范 J T G D7 0 2 0 0 4 第六 章深 埋隧道荷载进行计算 计算方法如下 1 垂直均布压力 q 一 h 一 0 4 5 2 式中 q 垂直均布压力 k N m S 围岩级别 r围岩重度 k N m 宽度影响系数 一 1 i B一5 B 隧道宽度 m B每增减 l m 时的围岩压力增减率 以 B 一5 m的围岩垂直均布压力为准 当 B5 m时 取 i 一 0 1 根据前者计算 可知 h 7 2 7 2 m 因此 垂直均 布压
9、力为 q 2 0 1 4 5 4 2 9 0 8 0 k N m 2 水平均布压力 水平均布压力按 公路隧道设计规范 J T G D7 0 2 0 0 4 规定取值 该段围岩为V级 水平均布荷载 系数 e 取值 0 5 即水平荷载 q 一 e q 1 4 5 4 0 k N m 4 2 计算模型的建立 根据有限元原理 结构力 学方法和隧道二次衬 砌受力机理 其计算模型的建立方法如下 1 二次衬砌采用梁单元模拟 二衬与初支的相 互作用采用土体弹簧实现 材料杆单元模拟 2 考虑初期支护采用 V级加强衬砌 根据 公路 隧道设计规范 J T G D7 0 2 0 0 4 中关 于初期支护 与二次衬砌荷
10、载分担 比例建议 该类型衬砌二衬分 担荷载的比例为 7 0 3 根据检测计算断面的衬砌裂缝深度 已贯穿衬 砌厚度 故裂缝处 的荷载完全由钢筋承受 并考虑该 断面的衬砌厚度和衬砌配筋情况 同时该断面处 于 岩溶软塑状残积土充填物上 其支撑力较小 在计算 中可不考虑其支撑力 4 计算 中荷载按设计围岩荷载考虑 5 隧道轮廓按设计断面进行建模 6 对土体弹簧末端进行位移全约束 按照上述建模方法 可建立如下所示计算模型 见图 1和图 2 所示 图 1 计算模型 图 2 计算模型截面厚度分布实体图 l 3 秦之 富等 大跨度公路隧道病害分析及结构安全性评估 5 结构安全性评估分析 1 隧道病害类型主要表
11、现为衬砌裂缝 裂缝密 集 为剪切性斜 向裂缝 裂缝宽为 0 5 2 mm 裂缝 延长 8 1 2 m 最长为 1 8 m 大于 1 0 m 根据调查裂缝 仍处在发展阶段 根据 公路隧道养护技术规范 J TG H1 2 2 0 0 3 该段隧道病害判定为 3 A级 2 隧道衬砌裂缝密集 裂缝贯通衬砌厚度 隧道 衬砌结构 的整体性受到严重破坏 承载能力较弱 不 能满足该段围岩荷载承载能力需要 必须进行加 固 处治 3 根据计算结果 对裂缝进行粘结性密封处治 其处治效果能使结构整体性和承载能力得到非常好 的恢复后 目前国 内技术还达不到 该断 面的安全 系数局部仍不能满足现行规范要求 4 支护结构背
12、后存在岩溶空洞 区 围岩荷载不 均匀 结构受力会产生应力集中 或存在 围岩松散掉 块冲击支护结构 严重威胁结构安全 5 地基承载力不足或地基承载能力不均 使结 构下沉或产生不均匀沉降 引起结构开裂缝 对结构 的稳定性和整体性产生影响 6 建 议 1 对衬砌裂缝应进行结构性处治 使衬砌结构 恢复其整体性和完整性 对裂缝密集 对衬砌结构破 坏严重段 除对裂缝本身处治外 应对结构进行加 固 补强处治 2 对支护结构背后一定范围内的岩溶空洞区进 行 回填处治 3 在隧道两边墙脚斜 向打设注浆小钢管 长度 不小于 5 m 增强边墙脚的承载能力 改善围岩荷载 条件 地基承载力不足段进行地部垂直打设注浆钢
13、管 长度不小 8 m 增加地基承载能力 改善地基承载 能力条件 7 结语 该隧道病害段病害检测评估后进行了病害处治 和结构补强加固 现已通车近 2年 在营运期问对 以 上段落的监测显示 隧道结构处于正常状态 介绍 该大跨度公路隧道的结构安全性评估分析 旨在为 同类公路隧道病害的评估提供了一种思路和方法 参考文献 E l i 侯建斌 夏永旭 公路隧道的养护及病害防治 J 公路 交通科技 应用技术版 2 0 0 6 3 5 9 E 2 蒲村平 隧道衬砌的裂缝与渗水及其整治研究 硕士学 位论文 上海 同济大学 1 9 9 8 E 3 祝效华 余志祥等著 A NS YS高级工程有限元分析范 例精选 北京 电子工业出版社 2 0 0 5 5 E 4 重庆交通科研设计院 公路隧道设计规范 J T G D 7 0 2 0 0 4 S 北京 人民交通出版社 2 0 0 4 5 重庆交通科研设计院 J TG H1 2 2 0 0 3 公路隧道养护 技术规范 S 北京 人民交通出版社 2 0 0 3 E 6 晏同珍 水文工程地质与环境保护 M 武汉 中国地 质大学出版社 1 9 9 4 7 重庆公路工程检测中心 某高速公路白山隧道结构安 全性评估报告 R 2 0 1 0 9 8 广东交通集团检测中心 某高速公路白山隧道检测报 告 R 2 0 1 0 6 1 5
