地下隧道衬砌施工质量的分析与稳定性验算

摘 要：城市地下暗挖隧道衬砌钢筋存在部分钢筋定位的偏差是工程施工中较为常见的现象，文章以国内某地下暗挖隧道的设计参数、地质情况为例，针对原隧道结构设计和已完成隧道二衬间距的偏差量，提出分别在已完成隧道二衬拱脚和仰拱处增加补强钢筋，通过增大拱脚及仰拱处截面等措施对隧道结构进行补强加固措施。

关键词：暗挖隧道；假设；衬砌结构；计算分析；拱脚加固

中图分类号：TU7 文献标识码：A

一、前言

地下暗挖隧道衬砌钢筋由于绑扎工艺复杂，受作业空间的限制，实际绑扎过程中难免存在部分钢筋间距有偏差。本文以国内某地下暗挖隧道的设计参数、地质情况为案例，假设隧道实际完成隧道二衬钢筋间距均比原设计大0.5cm（实际隧道衬砌钢筋施工质量与文章的假设无关，仅通过该假设做技术分析）。在综合考虑实施难度和施工风险后，提出分别在已完成隧道二衬拱脚和仰拱处增加补强钢筋，通过增大拱脚及仰拱处截面等措施对隧道结构进行补强加固措施。

二、衬砌设计参数

隧道采用复合式衬砌(VI级围岩)，对应的初期支护厚度为300mm，采用C25（P6）喷射混凝土；初支拱部180°范围设置3m超前小导管，环向间距0.33m，纵向间距1.0m；两侧设置3.5m长Φ22锚杆，间距0.8m×1.0m（环向×纵向）；钢架采用I20a的工字钢，每榀间距为0.5m。二次衬砌的拱顶及边墙厚度为500mm，仰拱厚度为550mm，混凝土强度等级C35。其中环向主筋采用Φ25钢筋，间距为150mm；纵向构造筋采用Φ14钢筋，间距为150mm；箍筋采用φ8钢筋，梅花型布置，间距为150mm×300mm；隧道初期支护钢架的预留变形量为10cm。

三、主要地质参数

隧道主要上覆土层依次为1素填土、1粉质粘土、④1粉质黏土、⑨1混合片麻岩、⑨2混合片麻岩、⑨3混合片麻岩。各土层的岩土物理力学指标设计参数见下表。

表1岩土物理力学指标设计参数建议值表

四、水资源情况

该暗挖隧道存在多处地表水，局部基岩裂隙可能与地表水连通，通过地表水进行补给。基岩裂隙水量丰富，水位埋深0.50～4.00m，水位变幅2.13m，且水位随季节变幅0.5～2.0m。岩石富水性和透水性与节理裂隙发育情况关系密切，节理裂隙发育的不均匀性导致其富水性和透水性也不均匀。五、衬砌安全检算

（一）检算前提

1.隧道结构在根据环向结构受力的基础上，还需考虑纵向整体结构受力，对连续三版混凝土范围内钢筋间距满足《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）中±20mm误差，且钢筋总数满足设计要求的，不进行加固处理。

2.隧道二衬环向主筋间距位于150～170mm之间(设计主筋间距为150mm)，且钢筋根数少于设计要求的，需要通过必要的结构计算分析，采取一定的加固措施。

（二）衬砌质量假设

本文隧道衬砌以10m为一台车长度，假设环向钢筋纵向间距平均超过设计值1.0cm，为了不影响隧道的稳定性和耐久性设计要求，需要对这种假设条件下的隧道衬砌进行必要的结构计算分析，看是否要采取相关的加固措施。

（三）计算模型

隧道二次衬砌结构按平面应变假设，根据荷载－结构模型，采用Sap84有限元程序进行了计算分析。计算时隧道二衬采用梁单元模拟，纵向取1.0m，环向单元长度约0.5m，地基弹簧的刚度根据地勘资料求得。

（四）内力计算

根据隧道穿越地层、覆土厚度、地勘报告中的岩土物理力学参数以及隧道的设计参数和假设条件，对隧道结构内力进行了计算，并根据《铁路隧道设计规范》TB10003-2005和《混凝土结构设计规范》GB50010-2010两种规范中的相关规定，求出了荷载的标准组合情况下的结构内力，具体的内力详图如下：

图2弯矩云图（单位：kN.m）图3弯矩图（单位：kN.m）

图4轴力云图（单位：kN） 图5轴力图（单位：kN）

图6剪力云图（单位：kN）图7剪力图（单位：kN）

（五）衬砌配筋验算

采用《铁路隧道设计规范》TB 10003-2005规范要求对结构二衬配筋进行计算，隧道的拱顶、拱腰、拱脚、仰拱的配筋具体情况如下表：

表2隧道二衬结构配筋计算表（Ⅵ级围岩复合式衬砌）

（六）分析结论

根据相关规范，隧道结构支护参数、二衬配筋需结合工程类比及结构计算确定，经过对本段隧道结构计算，隧道拱脚处为结构受力最不利位置，是整个隧道结构配筋的控制点，经过配筋验算，现场实际钢筋间距基本能够满足结构受力的要求，但是考虑到隧道工程的耐久性和结构稳定性，对部分钢筋间距超出设计间距要求的段落均需采取相应的加强措施，内容如下：

隧道二衬环向主筋间距平均超过设计值1.0cm(设计主筋间距为150mm)，且钢筋根数少于设计要求的（台车长度10m，设计每版衬砌67根钢筋，实际63根钢筋）。经过验算，为了尽量使衬砌结构满足原设计要求的强度和耐久性要求，需在衬砌结构受力最不利的拱脚处，利用电缆槽顶面以下部分空间加厚二衬厚度进行补强。

六、衬砌结构补强措施

隧道二次衬砌拱脚处内侧增加补强钢筋及增大拱脚处截面，隧道内轨面标高以下100mm至944mm的二衬仰拱做为本次隧道结构补强的主要部位，具体内容如下：

（一）凿除二衬钢筋混凝土保护层，同时凿除部分仰拱，需露出二衬环向钢筋。保证补强钢筋能与环向钢筋的焊接空间。

（二）在二衬表面植入Φ8钢筋，间距为300mm(环向)x2a（纵向），梅花型布置，(a为现场环向钢筋实际间距)。植筋一端做成弯钩，另一端植入已施做隧道衬砌内200mm，植筋胶采用A级胶。

图8暗挖隧道衬砌拱脚内侧加固横断面示意图

图9 暗挖隧道衬砌加固节点示意图

（三）安装补强钢筋，环向补强钢筋型号及间距与已施做隧道二衬环向钢筋等同，纵向水平钢筋型号与已施做隧道二衬水平筋相同。主筋采用焊接，双面焊缝长不小于5d。补强钢筋保护层厚度不小于5cm。

（四）浇注混凝土，采用与二衬同等级混凝土浇注。模板宜采用钢模板，下端固定在仰拱填充面，上端应预留出混凝土下料口，混凝土振捣要密实。

（五）对于补强混凝土浇注困难或不密实的部位采用高强度砂浆（CBMA-XB2聚合物砂浆）进行修补，要求砂浆的强度标号不得低于补强部位的混凝土强度标号。

（六）混凝土凿出过程中，做好初期支护与衬砌混凝土钢筋应力监测，每10m一个断面，控制值按钢筋强度设计值的60%考虑，报警值按钢筋强度设计值的70%考虑，同时还要注意混凝土裂缝的观察。

（七）衬砌拱脚混凝土凿除施工的一次性凿除的长度不宜过长（以单版衬砌长度为单位），可以分段跳开凿除，防止一次性凿除长度过长对隧道结构的稳定性产生不利影响。

（八）为了准确判断隧道衬砌结构补强施工过程中是否安全，需对补强加固施工进行全过程监测，内容包括地表开裂情况观察、地面沉降、拱顶下沉、洞内收敛和衬砌混凝土钢筋应力监测。