既有隧道仰拱病害整治措施研究

2023-02-03刘曼

北方交通 2023年1期

关键词：墙脚中空剪力

刘曼

(河北省石家庄市西柏坡高速公路管理处石家庄市 050299)

0 引言

1 仰拱病害缺陷整治加固机理

在不拆除重新施做铺底的情况下，采用在衬砌结构墙脚处加设锚杆，用锚杆来约束隧道的周边位移，同时，在隧道底注浆，以提高隧道底围岩承载能力，从而弥补隧道因仰拱填充厚度不足或缺失而丧失的功能，以满足隧道正常使用要求。

通过力学计算，分析衬砌结构仰拱及边墙内力，为锚杆加固设计及控制注浆效果提供定量指标，结构计算参数根据规范选取，采用有仰拱与无仰拱两种情况中最不利时的隧道墙脚处最大剪力和轴力进行加固设计，提出整治措施。

2 隧道仰拱病害检测结果

根据现场钻芯数据，五处里程段仰拱填充厚度均存在不同程度的缺陷，如表1所示。

表1 现场钻芯取样情况一览表

3 计算模型

本次运用有限元计算软件，结合隧道设计规范要求，采用荷载-结构模型进行模拟计算，确定不同工况下隧道结构典型断面处的内力。并假设衬砌四周约束按照均布地基弹簧考虑，其中衬砌结构采用弹性梁单元，地基采用弹簧单元表示[3]。有仰拱隧道、无仰拱隧道计算模型分别见图1、图2。

图1 有仰拱隧道计算模型

图2 无仰拱隧道计算模型

4 数值模拟分析

4.1 整治前计算分析

按照荷载—结构法进行结构计算，统计K707+500～K707+520里程段有仰拱与无仰拱两种情况下结构的内力情况，得到墙脚处单元的最大剪力及轴力如表2所示。

表2 墙脚处单元最大剪力及轴力统计表

由表2可知，仰拱在衬砌受剪方面作用非常明显，无仰拱时对墙脚处剪力的影响约27.7%～57.7%。

4.2 拟采用的整治措施

当仰拱不能正常工作时，可考虑在墙脚处加设注浆中空锚杆，墙脚处出现的剪力由注浆中空锚杆承担，以保证结构安全。在不同地质条件下注浆中空锚杆承载力有较大差别，为确保注浆中空锚杆能安全应用于本次需补强的隧道地段，对上述5处隧道承载力进行计算分析。

整治拟采用Φ32×6(Q345)自进式中空锚杆(5m/根)对相关隧道断面进行补强，单根注浆中空锚杆的承载力由岩石与水泥结石体之间的粘结承载力、钢筋与水泥浆之间的粘结承载力和注浆中空锚杆锚杆体承载力三者中的较小值控制。

炉膛四周布置有膜式水冷壁，水冷屏和汽冷屏等。在自然水循环时，膜式水冷壁和水冷屏的传热温差相同，而与汽冷屏的传热温差不同，所以在计算传热系数和传热时，要分别进行计算，但文中所分析循环流化床锅炉无汽冷屏，而其二级过热器位于炉膛内部，所以只分析炉膛即可。

4.3 注浆中空锚杆受力计算

4.3.1岩石与水泥结石体之间的粘结承载力

岩石与水泥结石体之间的粘结承载力计算公式[4]为：

(1)

式中：La为锚固段长度(mm)；Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)；K为安全系数，锚杆服务年限大于2年，危害大，会出现公共安全问题取2.2；D为锚固体直径(mm)；qr为水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值，取0.8倍标准值。

4.3.2钢筋与水泥浆之间的粘结承载力

钢筋与水泥浆之间的粘结承载力计算公式[5]为：

(2)

式中：La为锚固段长度(mm)；Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)；K为安全系数，锚杆服务年限大于2年，危害大，会出现公共安全问题取2.2；d为锚固体直径(mm)；qs为水泥结石体与钢绞线或钢筋间的粘结强度设计值，取0.8倍标准值；n为钢绞线或钢筋根数；ε为采用2根或2根以上钢绞线或钢筋时，介面粘结强度降低系数取0.60～0.85。

4.3.3注浆中空锚杆中空锚杆体承载力

注浆中空锚杆中空锚杆体承载力计算公式[6]为：

Nt=Afscd

(3)

式中：Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)；A为锚固体直径(mm)；fscd为锚杆体材料的抗拉强度设计值，对于HRB335级钢取268MPa。

按照式(1)～式(3)计算得到单根注浆中空锚杆的承载力(包括岩石与水泥结石体之间的粘结承载力、钢筋与水泥浆之间的粘结承载力和注浆中空锚杆中空锚杆体承载力)如表3所示。

由表3可知，对于需要补强的地段，单根注浆中空锚杆的承载力均由注浆中空锚杆锚杆体承载力控制为131.28kN，考虑现场施工等因素，确定本次中空锚杆的设计拉拔力为120kN。根据上述计算结果并结合墙脚最大剪力情况，计算各隧道需要补强处的锚杆需求如表4所示。