摘要：通过有限元软件ANSYS对贵州某高速公路隧道运用荷载-结构法进行计算分析，针对其出现的仰拱厚度不足情况，对设计工况和实测工况计算结果进行对比，比较隧道各位置内力及安全系数差异，分析仰拱厚度不足造成病害的原因，并依据计算结果采取拱脚锁脚加固、基底钢化管注浆加固的整治方案，取得了良好的效果。
关键词：公路隧道；仰拱；厚度不足；安全系数；注浆加固
1 引言
仰拱是隧道结构的重要组成部分之一，它是隧道结构的基础。由于施工条件及环境，因仰拱厚度不足造成路面开裂及衬砌结构产生裂缝的案例不在少数，对施工及运营安全性的危害不容忽视。
本文以贵州某高速公路隧道为研究对象，针对其出现的仰拱厚度不足情况进行数值分析，研究仰拱厚度不足对隧道结构支护性能不利影响的力学机理，并阐述仰拱厚度不足的处治措施。
2 工程概况
某隧道位于贵州省境内，左线隧道长553m，右线隧道长554 m，为中隧道，隧道最大埋深约83m。隧道围岩主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩。
根据隧道交工验收工程质量检测结果，隧道主要施工缺陷为仰拱深度不足，在隧道多处仰拱位置钻孔取芯检测，其中一处结果评定不合格，在YK86+799中线右偏1.14m钻孔，路面顶至仰拱底混凝土总厚度设计值为1.90m，实测为1.76m，厚度不合格。
3 荷载结构计算
3.1计算工况
仰拱厚度检测不合格位置为YK86+799处，此处为V级围岩，原设计衬砌类型为S-Va，实际路面以下结构厚度与原设计厚度相差较大。本文对设计工况与实测工况分别建立模型计算，并做对比分析。
3.2模型建立
设计采用复合式衬砌，初期支护采用3.5m（纵）60×120（环）Ф25中空注浆锚杆、20×20cmФ8钢筋网、纵向间距为60cm的I20b型钢拱架、26cm厚C20喷射混凝土，二次衬砌为50cm厚C30钢筋混凝土，二次衬砌及仰拱采用Ф20钢筋，间距为20cm。根据设计S-Va衬砌与实测情况建立模型，两种工况的不同在于仰拱单元深度不同。其中二次衬砌采用梁单元(Beam3)模拟，地基采用弹簧单元(Link10)模拟，弹簧长度取1m。
3.3计算参数
（1）围岩计算参数
根据设计图件，计算参数按《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）V级围岩的参数取值，重度为20 kN/m3，弹性抗力系数为150MPa/m，黏聚力c为0.125MPa，计算内摩擦角为42°。
（2）衬砌结构计算参数
二衬采用C30钢筋砼，重度为25kN/m3，弹性模量为31GPa，泊松比为0.2。
3.4二次衬砌计算及分析
采用ANSYS进行数值计算分析，衬砌自重根据衬砌尺寸、密度由系统软件自动计算。隧道埋深21.5m,当前计算荷载为：二衬荷载组合围岩压力+衬砌自重+地层弹簧，按照V级围岩两车道二次衬砌承担50%的荷载计算。经隧道深、浅埋计算判断，所在计算位置为浅埋，按照浅埋隧道进行计算分析。
3.4.1 内力分析
计算结果二次衬砌弯矩、剪力及轴力分别如图1、图2及图3所示，隧道关键节点处的内力情况如表1所示，根据计算结果，可以发现设计工况与实测工况计算结果有差异，主要表现在拱脚及仰拱位置，拱脚及仰拱弯矩值实测工况较原设计有较大增大，仰拱处轴力值实测工况较设计工况大，拱脚处附近剪力值实测工况较原设计有较大增大。
3.4.2衬砌结构安全性评价方法及评价指标
采用计算衬砌截面的安全系数来评价衬砌结构的安全性，安全系数为隧道结构极限承载力N极限与轴力N的比值：
K=N极限/N≥K规范 （1）
各关键节点安全系数计算结果如1所示，从二者对比可见，拱脚及仰拱安全系数变化明显，实测工况较设计工况安全系数值减小，拱脚处安全系数值2.2小于《公路隧道设计规范》要求的2.4，表明该工况下安全性不满足要求，仰拱厚度不足降低了隧道安全性，需要采取处治加固措施。
a根据设计参数
b根据检测结果
图1 二次衬砌弯矩图
a根据设计参数
b根据检测结果
图2 二次衬砌剪力图
a根据设计参数
b根据检测结果
图3 二次衬砌轴力图
4 仰拱厚度不足病害分析
仰拱厚度不足产生危害的原因主要有以下几点：
（1）仰拱厚度不足导致结构承载力不足，支护效果减弱，不能有效抵抗隧道底部的压力及上部结构传递的内力。
（2）当隧道上部结构按照设计施工，而仰拱厚度不足时，成型的仰拱结构无法保证原设计的半径及弧度要求，导致仰拱与上部结构的连接不平顺，容易在拱脚处产生应力集中，使连接处存在急剧弯曲。
（3）仰拱开挖未达到设计要求，减少了仰拱弧的高度，减小了其矢跨比。
（4）仰拱底部未清理干净，存在虚渣，导致仰拱底部与围岩接触不严密。
表1 二次衬砌控制截面内力结果
5 整治加固措施
仰拱厚度不足主要处理措施为对仰拱进行注浆钢花管注浆加固或者中空注浆锚杆加固，对仰拱病害严重的段落采取拆换仰拱的措施。
本文所述某隧道采取了钢化管注浆加固，根据计算结果得知，仰拱及拱脚处为薄弱环节，以此设计加固方案，分两步进行：（1）在隧道拱脚处设置长度为8m的φ76×5mm中导管进行锁脚加固，纵向布置间距60cm，并进行注浆，浆液水灰比0.4-0.5，注浆压力1.5-2.0MPa；（2）基底采用长度为5m的φ42×4mm注浆钢花管进行加固，加固布置间距为100×100cm，注浆采用1:1水泥浆液，注浆压力0.3-0.5MPa，施工中控制注浆压力及稳定时间。该隧道仰拱厚度不足段落注浆加固好效果良好，隧道后续运行良好。
6 结论
（1）通过荷载-结构法对贵州某隧道仰拱厚度不足进行计算，可知：设计工况与实测工况的差异主要表现在拱脚及仰拱位置，拱脚及仰拱弯矩值实测工况较原设计有较大增大，仰拱处轴力值实测工况较设计工况大，拱脚处附近剪力值实测工况较原设计有较大增大；实测工况下隧道拱脚处安全系数为2.2，小于规范值。
（2）仰拱厚度不足可能带来仰拱开裂或底鼓，可能导致隧道结构稳定性减弱，衬砌结构变形甚至开裂。
（3）仰拱厚度不足主要处理措施为对仰拱进行注浆加固，针对隧道实例，采用拱脚锁脚加固、基底钢化管注浆加固，效果良好，可以为类似情况提供借鉴。
参考文献
[1]胡曼宁邱军领，张春黎. 既有运营公路隧道仰拱缺陷综合治理技术与经济分析[J]. 公路交通科技(应用技术版)，2014，115(7)：253-256.
[2]周森.高速公路隧道仰拱底鼓破坏机理分析及处治措施[J].交通科技，2013，(05):97-99,108.
[3]王明年，翁汉民，李志业．隧道仰拱的力学行为研究[J]．岩土工程学报，1996，18(1)：46-53．
作者简介
蹇宜霖（1991-），男，硕士，助理工程师，现主要从事隧道及地下工程设计工作。
论文作者:蹇宜霖
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
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