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第 29 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.29 Supp.1 2010 年 5 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2010 收稿日期收稿日期2009–03–11；修回日期修回日期2009–05–13 基金项目基金项目国家西部交通建设科技项目2003–318–490–18 作者简介作者简介王华牢1961–，男，博士，1984 年毕业于同济大学地下建筑与工程系岩土工程专业，现任教授级高级工程师，主要从事公路隧道设计等 方面的研究工作。E-mailwanghl 纵向裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究纵向裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究 王华牢 1，2，刘学增3，李 宁1，谢东武3 1. 西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；2. 中交第一公路勘察设计研究院，陕西 西安 710075； 3. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092 摘要摘要裂缝是运营期隧道衬砌结构的主要病害形式之一，特别是拱部纵向裂缝对隧道原有结构的承载力影响较大。 通过公路隧道衬砌结构裂缝评价方法，对隧道主要裂缝进行安全评价，给出安全等级，同时应用刚度退化模型对 隧道原结构进行承载力评价，给出加固前的隧道结构安全系数，通过工程实例验证说明，通过刚度退化模型计算 承载力是可行的，为隧道的加固补强提供重要依据，并为今后纵向裂缝情况下衬砌结构的安全性评价、承载力的 计算分析以及加固设计提供新的技术方法。 关键词关键词隧道工程；刚度；裂缝；加固 中图分类号中图分类号U 45 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–69152010增 1–2651–06 SAFETY UATION OF TUNNEL LINING WITH LONGITUDINAL CRACKS AND REINFORCEMENT DESIGN WANG Hualao1 ，2，LIU Xuezeng3，LI Ning1，XIE Dongwu3 1. Institute of Water Resources and Hydroelectric Engineering，Xian University of Technology，Xi′an，Shaanxi 710075，China； 2. The First Highway Survey and Design Institute of China Communications Co.， Ltd.， Xi′an， Shaanxi 710048， China； 3. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China AbstractCrack is one of the major diseases of the tunnel lining in the operation phase，especially the arch longitudinal cracks are more hazardous to the bearing capacity of the original lining. Through the uation criterion of crack，the safety of lining with longitudinal crack was uated；and the safety level was proposed. Meanwhile，the stiffness degeneration model was used to uate the bearing capacity of the original lining；and the structure safety coefficient was calculated before lining reinforcement. Engineering case study shows that the stiffness degeneration model to uate the capacity of lining is feasible，which provides an important basis for the reinforcement of the tunnel，as well as a new reasonable for the safety uation of the lining with longitudinal cracks，the bearing capacity calculation，and the reinforcement designing. Key wordstunnelling engineering；stiffness；crack；reinforcement 1 引引 言言 随着我国近年来公路、铁路隧道的规模不断增 加，运营期隧道衬砌结构的病害也逐渐暴露出来， 根据对 5 000 座铁路隧道调查的统计资料，1/3 的隧 道存在着衬砌结构裂缝和渗漏水等病害。截至 2007 年底全国公路隧道病害为 4 673 处、约 2.56106 m， 通过初步调查，其主要病害形式为严重渗漏水、结 构衬砌的腐蚀裂损、仰拱或铺底的变形损坏导致路 面的破坏等，为隧道的后期运营带来了安全隐患。 隧道衬砌裂缝病害一直以来是隧道病害的主要 2652 岩石力学与工程学报 2010年 形式，也是研究的重点，在隧道裂缝的理论计算及 成因分析方面，目前国内外所做的工作较多，如荣 耀等[1]基于弹性地基梁法建立了隧道衬砌裂缝间距 和宽度的计算方法；蒲春平等[2]研究了温度应力引起 的裂缝间距和宽度计算公式，探讨了由温度应力引 起的裂缝开展规律。在裂缝量测方面，潘洪科等[3 ，4] 采用钢弦式频率震动测缝计，水泥钢钉和千分表对 裂缝的宽度变化进行了监测。然而，裂缝对隧道衬 砌结构安全的影响与评价方法以及对隧道衬砌结构 影响方面的研究甚少。在隧道的加固技术研究方面， 黏钢、碳纤维、扩大断面法等技术也不断得到实践 应用[5 ～7]。 本文对隧道裂缝进行了详细调查，基于裂缝调 查结果对衬砌裂缝进行评价，给出了安全等级；并 采用刚度退化模型对纵向裂缝情况下原衬砌结构进 行了承载力计算评价，根据评价结果提出完整的加 固方案，为隧道衬砌裂缝的安全性评价以及刚度的 计算提供了新的思路和依据。 2 工程概况工程概况 安吉隧道为直线形，长度为 287 m。隧道穿越地 层主要为第四系全新统冲积层、残坡积碎石土、中 元古界双桥山粉砂岩夹粉砂质板岩。隧道开挖宽度 约为 13 m，开挖高度约为 10.4 m。围岩以 V 级为主， 二衬设计为 C25 的钢筋混凝土，厚度为 80 cm，环 向钢筋直径为φ22 mm，间距为 20 cm。 隧道运营后出现多处裂缝和渗漏水，局部裂缝 过大，影响隧道的正常使用，因此对该隧道进行了 病害调查，包括裂缝调查，基于裂缝调查结果对每 条裂缝的安全性进行评价，并对衬砌结构刚度计算 分析，为制定合理的加固方案提供依据。 3 裂缝的安全性评价裂缝的安全性评价 3.1 裂缝调查裂缝调查 1 裂缝宽度量测 采用DJCK–2智能裂缝测宽仪进行隧道裂缝测 量，测量时程序自动扫描捕获裂缝并在显示屏上实 时显示裂缝的宽度数值，测量精度达到 0.01 mm见 图 1。 2 裂缝深度测试 采用同济大学声学所研制的U-SONIC超声波仪 图 1 裂缝宽度测量 Fig.1 Measurement of crack width 进行测试，根据裂缝位置处超声波传播时间的变化 如延迟时间等计算出裂缝深度，裂缝深度量测原理 示意见图 2。 图 2 中 A 为声波发射点，B 为声波接收 时程最短的位置，C 为裂缝的尖端，T 为发射点的位 置，R1，R2，R3，R4 均为声波接收点。 图 2 裂缝深度量测原理示意图 Fig.2 Sketch of depth measurement of cracks 3 裂缝变化量监测 采用 CJ–301 型振弦式测缝计对裂缝的发展情 况进行监测，测缝计垂直于裂缝布设，如图 3 所示。 图 3 测缝计量测裂缝宽度变化 Fig.3 Apparatus test seam crack width measuring changes in measurement 3.2 衬砌裂缝诊断指标的判定标准衬砌裂缝诊断指标的判定标准 0.83 mm TR1R2 R3 R4 B A C 第 29 卷 增 1 王华牢，等. 纵向裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究 2653 衬砌裂缝包括2项指标， 用 c1 ω表示长度和宽度， 用 c2 ω表示部位和深度。衬砌裂缝的判定标准包括 衬砌裂缝定性判定标准、裂缝长度和宽度的判定标 准、裂缝深度的判定标准[8 ～11]。衬砌裂缝的定性判 定可按表1～4执行表2～4中，L，b，h分别为裂缝 长度、宽度和深度。衬砌裂缝深度的判定参考表4 执行。 衬砌裂缝指标层的 2 个指标的权重可表示为 b1c1 ωω， 2c ω 0.575，0.425 表 1 衬砌裂缝的定性判定标准 Table 1 Qualitative criterion of lining cracks 判定 裂缝状态 安全程度 3A 裂缝密集，出现剪切裂缝，并且发展速度快 不安全 2A 裂缝较密集，有一定发展趋势 偏不安全 A 存在裂缝，有一定发展趋势 较安全 B 存在裂缝，但无发展趋势 安全 表 2 有发展性的衬砌裂缝的判定标准 Table 2 Criterion of the development of cracks in lining cracks 裂缝长度 L/m 裂缝宽度 b/mm ＞5 ≤5 ＞3 3～2A 2～1A ≤3 A A 表 3 不能确定有无发展性的衬砌裂缝的判定标准 Table 3 Criterion of cracks in the lining which is uncertain of development 裂缝长度 L/m 裂缝宽度 b/mm ＞10 5～10 ≤5 ＞5 3～2A 2～1A 2～1A 3～5 2A 2～1A A ≤3 A～B A～B A～B 表 4 衬砌裂缝深度的判定标准 Table 4 Criterion of the depth of cracks in the lining 判定 裂缝深度 h 3A ＞H 2A 0.8～1.0H A 0.6～0.8H B 0.0～0.6H 3.3 裂缝的安全性评价裂缝的安全性评价 拱顶纵向裂缝深度达到 20 cm，其他纵向主裂 缝深度普遍为 2～10 cm，裂缝参数见表 5。综合监 测、 检测结果， 该隧道裂缝安全程度较多地介于1～ 2A见表 6，偏于不安全，需要进行加固补强。 表 5 裂缝参数 Table 5 Parameters of cracks 里程 长度 /m 宽度 /mm 宽度总变 化量/mm 深度 /cm 部位 K0116 6.3 0.400 0.110 2.24 边墙上 1.7 m K0130 1.2 0.200 0.180 1.87 左拱腰 K0157 3.5 0.600 0.026 5.46 拱顶偏右 0.7 m K022435.5 1.800 0.020 18.44 边墙上 2.0 m K0231 6.0 1.200 0.090 8.87 拱顶 K0235 5.5 2.500 0.450 20.75 拱顶 K0270 4.3 1.400 0.220 10.20 拱顶 K028012.5 1.600 0.080 20.48 拱顶 表 6 带裂缝隧道衬砌安全等级评定 Table 6 Security rating of lining with cracks 定量判定 里程 定性判定 宽度和长度 深度 综合判定 K0116 A A～B B 0.64 K0130 A A～B B 0.64 K0157 A A～B 3A 1.71 K0224 A A～B 3A 1.71 K0231 2A A～B 3A 1.71 K0235 2A A～B 3A 1.71 K0270 2A A 3A 1.85 K0280 2A A 3A 1.85 4 纵向裂缝情况下衬砌结构刚度计算纵向裂缝情况下衬砌结构刚度计算 钢筋混凝土构件在经历了一段使用期后，构件 的受拉区出现裂缝，裂缝的出现将对该构件的截面 刚度产生影响。对钢筋混凝土超静定结构，截面刚 度的变化不仅影响结构的变形性能，还会影响到构 件间的内力分布。因此，对构件开裂后截面刚度退 化规律的研究将有助于既有结构或构件的安全性和 使用性评定[12]。 钢筋混凝土梁从拉区混凝土开裂到钢筋屈服， 其截面抗弯刚度与初始抗弯刚度之比的上下限可按 表 7 取值[12]。实测中如发现钢筋混凝土构件开裂由 弯曲引起的纵向裂缝，可按表 7 对开裂截面抗弯刚 度进行适当调整，根据裂缝的开展情况按下列原则 2654 岩石力学与工程学报 2010年 表 7 基于纵向受力钢筋配筋率的带裂缝结构刚度与初始刚 度比值关系式 Table 7 Relationships between structure rigidity with cracks and initial stiffness based on longitudinal steel reinforcement ratio 1 1 0 1 1B b B a ρ ρ 2 2 0 2 1 b a B B 混凝土强度等级 a1 b1 a2 b2 C20 0.65 0.49 1.27 0.65 C25 0.63 0.56 1.15 0.77 C30 0.61 0.65 1.10 0.88 C50 0.59 0.84 1.06 1.15 注ρ为截面受拉钢筋的配筋率； 1 a ， 2 a ， 1 b ， 2 b 均为试验得 到的相关参数[12]。 确定合适的刚度比当 b 0.05 时，取 10 /BB；当b 0.30时，取 20 /BB；当0.05＜b＜0.30时，按线性插值 确定。同时应注意1 当 10 /BB＞1.0时，取 10 /BB 1.0；2 当 20 /BB＞0.6时，取 20 /BB 0.6。其中， 10 /BB为开裂后割线刚度与初始刚度之比， 20 /BB为 钢筋屈服时割线刚度与初始刚度之比。 取断面K0235拱顶纵向裂缝进行校核，裂缝宽 度为2.5 mm，按照 20 /BB进行计算，原隧道设计参 数为C25模筑混凝土厚80 cm，配筋率ρ 0.49， 从而计算得 20 /BB 0.38； 可见， 由于拱顶纵向裂缝， 衬砌抗弯刚度降低了62，抗弯承载能力也大大降 低，已经不能满足围岩压力的承载要求，必须进行 补强。 5 加固方案设计加固方案设计 5.1 加固设计计算及原则加固设计计算及原则 1 由于拱顶及两边墙二衬均出现裂缝， 且部分 衬砌渗水现象严重，因此，加固方案以不破坏现有 二次衬砌为原则。 2 尽可能不破坏现有衬砌的防水结构，建议以 排为主。 3 由于明洞段的施工特殊性，不宜对二衬开 槽，采用在现有衬砌中加套拱的办法。 4 根据计算结果，暗洞段采用素混凝土支护的 设计安全系数满足规范要求，因此，对相应区段的 裂缝处理可以采用灰浆抹面的方式，对渗漏水处采 用开槽加排水管并喷射混凝土的处理方式。 5 在暗洞段，由于安全系数降低过多比如1 暗洞断面K0117安全系数只有0.48，同时由于该 区段位于洞口，受力较为复杂，因此，对该区段采 用钢拱架进行加固。 5.2 加固设计加固设计 加固方案采用钢拱架加喷射混凝土形成套拱的 方案，具体参数如下 1 在左侧设置顶宽为100 cm的C25混凝土支 墩，右侧过水断面设置顶宽为80 cm的C25混凝土 支墩，考虑到右侧水流对支墩的影响，右侧支墩进 行4∶1放坡处理，并进行植筋以提高支墩的稳定性， 支墩设置方式详见图4，用于支撑套拱拱脚。 图 4 加固设计图单位mm Fig.4 Reinforcement designunitmm 2 在二次衬砌内纵向每0.55 m设置一处I20a 型工字钢拱架。 3 沿设置钢拱架的位置，按照设计钻设植筋锚 固孔，孔深为40 cm。 4 采用环氧树脂将植筋通过锚固孔与二衬混 凝土黏结， 植筋采用φ22 mm螺纹钢并弯折成L型与 钢拱架焊接为一体；钢拱架外翼缘板焊接φ8 mm，150 mm150 mm钢筋网片；采用C25喷射混凝土充填 加固，喷射混凝土厚度为28 cm。 5 为保证修补层与原二次衬砌混凝土之间的 黏结力，从而形成一个有机整体，应将二次衬砌表 面冲洗干净，喷涂一层混凝土黏结用胶黏剂。 6 严格控制喷射混凝土质量， 喷射混凝土施工 质量符合规范[13]的要求。 7 为了保证喷射混凝土补强层内表面美观，进 122.79 1 014.42 50.00 100.00 160.00 10.00 10.00 296.60 570.00 100.00 12.50 2路面 C25 模筑混凝土 C25 模筑混凝土 洞轴线 φ22200 植筋 18 58′26′′ 原二衬钢筋混凝土 I20a 型工字钢加强肋 28 cm 厚 C25 喷射混凝土 第 29 卷 增 1 王华牢，等. 纵向裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究 2655 行喷漆处理，在喷漆之前需要保证一定的平整度， 喷漆之后确保加固后衬砌表面平整美观。 5.3 加固方案验算加固方案验算 隧道计算荷载按照规范[14]的规定，V级围岩， 二次衬砌承担60～80的围岩荷载进行计算。考 虑到初期支护和原有二衬的作用，围岩弹性抗力取 V级围岩的最大值，加固后的具体计算参数见表8。 表 8 计算参数 Table 8 Calculation parameters 压力/kPa 围岩 级别 围岩重度 γ/kNm －3 二衬重度 γ/kNm －3 弹性抗 力系数 k /MPam －1 上部围 岩压力 /kPa 拱顶水 平侧压 力/kPa 拱底水 平侧压力 /kPa V 20 25 200 536 145 197 采用同济曙光软件进行计算，建模及计算结果 分别如图5，6所示。 图 5 计算模型及荷载分布图 Fig.5 Computing model and load distribution 由计算结果见表9知，最不利截面位置位于拱 顶。 可知，按照上述方案加固后安全系数为2.69， 满足规范要求≥2.40，加固方案可行。 5.4 加固注意事项加固注意事项 1 在原二次衬砌变形缝两侧均需设置加强工 字钢拱架。 2 根据原二次衬砌变形缝的位置设置变形缝， 当原二次衬砌在很长距离没有设置变形缝时，补强 层也应根据裂缝开裂情况每20～30 m设置一处变形 缝。 3 由于目前隧道裂缝较为发育，在施工过程中 应注意加强安全措施，防止出现二衬掉块，危及施 工人员的安全。 a 轴力图单位kN b 弯矩图单位kNm 图 6 计算结果 Fig.6 Calculation results 表 9 最不利截面内力计算结果 Table 9 Calculation results of the most unfavorable section 弯矩/kNm 轴力/kN 安全系数 位置 1 265 1 688 2.69 拱顶 4 由于部分衬砌出现渗水现象，因此，在进行 补强时，宜采用开槽埋管的排水法处置，并注意以 下事项① 水管的位置、间距应根据涌水量的大小 和位置等情况确定；② 水管不得堵塞，管道材料应 具有抗老化性和足够强度；③ 当采用开槽埋管法 时，衬砌表面可用氯丁橡胶等材料覆盖。 5 施工中采用的胶黏剂与混凝土界面剂的质 量参数，均应符合规范[6]的规定。 6 结结 论论 裂缝一直是隧道病害的主要形式，影响隧道的 正常运营与耐久性，不仅降低了衬砌结构的刚度和 承载能力，同时，裂缝成为了渗漏水通道，造成钢 筋的腐蚀，进一步降低衬砌的承载能力和耐久性， 因此，对运营期的隧道定期开展裂缝调查以及安全 评价，对保证隧道安全运营具有重要意义，通过本 文的研究，为今后类似工程的裂缝调查与评价提供 了方法思路，得到如下主要结论 1 265 －1 218 －1 217 1 688 2656 岩石力学与工程学报 2010年 1 通过裂缝判断标准，对纵向裂缝对隧道的影 响进行了安全性评价，建立了评价等级。 2 基于刚度退化理论，对带裂缝隧道衬砌结构 的刚度和承载力进行评价是可行的，为进一步对隧 道进行加固处理提供依据。 3 采用喷射混凝土与钢拱架的方法对隧道衬 砌结构进行加固处理，经验证，计算后的衬砌结构 满足安全系数的要求。 参考文献参考文献References [1] 荣 耀，许锡宾，蔡晓鸿. 基于弹性地基梁法的隧道衬砌裂缝间距 和宽度的计算[J]. 重庆建筑大学学报，2006，28523–26.RONG Yao，XU Xibing，CAI Xiaohong. Calculation of crack space and crack width of tunnel lining based on elastic foundation curved beam model[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University，2006，28523– 26.in Chinese [2] 蒲春平，夏才初，李永盛，等. 隧道的温度应力及由其引起的裂缝 开展规律的研究[J]. 中国公路学报，2000，13276–79.PU Chunping， XIA Caichu， LI Yongsheng， et al. Study of thermo-stress of highway tunnel and the law of line-fissure development caused by the thermo-stress[J]. China Journal of Highway and Transport，2000，132 76–79.in Chinese [3] 潘洪科，杨林德，黄 慷. 公路隧道偏压效应与衬砌裂缝的研究[J]. 岩石力学与工程学报，2005，2483 311–3 315.PAN Hongke， YANG Linde，HUANG Kang. Research on unsymmetrical load effect and lining cracks of a highway tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，2483 311–3 315.in Chinese [4] 吴新璇. 混凝土无损检测技术手册[M]. 北京人民交通出版社， 2003.WU Xinxuan. Manual of nondestructive testing of concrete[M]. BeijingChina Communications Press，2003.in Chinese [5] 罗立娜. 碳纤维补强条件下公路隧道衬砌计算方法的研究[硕士学 位论文][D]. 上海同济大学，2006.LUO Lina. On the calculation of CFRP strengthened highway tunnel Lining[M. S. Thesis][D]. ShanghaiTongji University，2006.in Chinese [6] 中华人民共和国国家标准编写组. GB 50367–2006 混凝土结构加固 设计规范[S]. 北京中国建筑工业出版社，2006.The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China. GB 50367–2006 Design code for strengthening concrete structure[S]. BeijingChina Architecture and Building Press，2006.in Chinese [7] 游其勇. 公路石拱涵病害分析及加固设计[J]. 武汉工业学院学报， 2007， 262 56–58.YOU Qiyong. Disease analysis and strengthening design of stone arch culvert in highway[J]. Journal of Wuhan Polytechnic University，2007，26256–58.in Chinese [8] 李秉南. 混凝土结构加固技术研究与软件编制[硕士学位论文][D]. 南京 东南大学， 2004.LI Bingnan. Study of technology of strengthening concrete structure and design of software[M. S. Thesis][D]. Nanjing Dongnan University，2004.in Chinese [9] 刘海京. 公路隧道健康诊断计算模型研究[博士学位论文][D]. 上 海同济大学，2007.LIU Haijing. Study of calculation model of highway tunnel health diagnosis[Ph. D. Thesis][D]. ShanghaiTongji University，2007.in Chinese [10] 罗 鑫. 公路隧道健康状态诊断方法及系统的研究[博士学位论 文][D]. 上海同济大学，2007.LUO Xin. Study of and system of highway tunnel health diagnosis[Ph. D. Thesis][D]. Shanghai Tongji University，2007.in Chinese [11] 肖同刚，荣 耀. 乌鞘岭隧道岭脊段二次衬砌裂缝计算分析[J]. 地 下空间与工程学报， 2007， 31 62–65.XIAO Tonggang， RONG Yao. Calculation analysis of secondary lining crack in Wuqiaoling tunnel ridge[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2007，3162–65.in Chinese [12] 顾祥林，许 勇，张伟平. 钢筋混凝土梁开裂后刚度退化研究[J]. 结 构工程师，2005，21520–23.GU Xianglin，XU Yong，ZHANG Weiping. Study of stiffness deterioration of RC beams after cracking[J]. Structural Engineers，2005，21520–23.in Chinese [13] 中华人民共和国行业标准编写组 JTJ042–94 公路隧道施工技术 规范[S]. 北京中国建筑工业出版社 1995.The Professional Standards Compilation Group of People′s Republic of China. JTJ042– 94 Technical code for construction of highway tunnel [S]. Beijing China Architecture and Building Press，1995.in Chinese [14] 中华人民共和国行业标准编写组. JTG D70–2004 公路隧道设计规 范[S]. 北京人民交通出版社 2005.The Professional Standards Compilation Group of People′s Republic of China. JTG D70–2004 Technical code for construction of highway tunnel [S]. BeijingChina Communications Press，2005.in Chinese