既有隧道維修加固措施研究

孫 齊

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

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既有隧道維修加固措施研究

孫 齊

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隨著隧道行業的不斷發展，新建隧道的數量逐漸增多，隧道維修管理的體系日臻完善。由于設計、施工和地應力的影響，隧道在使用一段時間后會出現多種病害，如剝蝕、掉塊、張裂、壓潰、錯臺、漏水等，這是對既有隧道進行維修加固時值得思考的問題。

隧道； 病害； 維修； 加固

隨著隧道工程的不斷發展與成熟，維修加固已逐漸進入各國重點研究的范疇。在法國和德國等隧道較多的國家，采用地質雷達、紅外線測試和光譜分析試驗等無損傷檢測技術對隧道襯砌進行檢查已經引起了隧道工作者的興趣。德國提出了隧道設計是綜合設計的概念，重視隧道初期支護噴射混凝土，重視鋼拱和鋼筋格柵支撐，強調錨桿的選擇和布設對圍巖變形的控制；同時開展了強化初期支護而不做二次襯砌的可行性及采用經濟的檢測手段控制隧道結構工程質量和安全性研究[1]。日本在近年組織進行了多項有關公路隧道長期安全性評價和維護加固對策的專題研究，在此基礎上形成的《公路隧道維護管理便覽》，對高速公路隧道的安全性評價和管理維護加固提供了重要的指導作用[2]。目前我國隧道病害治理方法落后，對于鐵路隧道有著一定的探索和經驗，但對于公路隧道的整治還停留在比較低的水平，不僅相對國外隧道工程的病害整治是比較落后的，就是與國內其它工程的病害整治相比也是比較落后的。

1 既有隧道維修加固的研究方法

目前對既有隧道維修加固的研究主要有以下幾種。

1.1 理論和經驗研究

巴頓根據約200座歐洲隧道資料為基礎進行統計分析，提出了圍巖分類和相應支護結構的建議[3]。日本在大量分析隧道病害的基礎上，提出了隧道病害的典型形式，并對隧道病害進行了分級，整理出了《隧道變異對策設計手冊》、《隧道維修管理手冊》等，為隧道病害的分類及治理提供了大量有益的參考。

在國內，關寶樹的《隧道維修管理要點集》，介紹了國外隧道維護加固的經驗，對國內隧道的維護加固有很好的借鑒作用。

1.2 模型試驗

模型試驗是隧道及地下工程研究中使用較多的一種方法，它的理論基礎是相似理論。模型試驗具有直觀、全面的優點，并且具有能夠滿足用其他方法不能滿足的條件的優點。模型試驗分析對工程技術人員將成為一種不可缺少的工具[4]。國內外利用模型試驗進行結構研究的實例很多。如西南交通大學土木工程學院隧道與地下工程系進行了浙江金麗溫連拱公路隧道綜合修建技術研究的模型試驗、鐵山坪隧道模型試驗、雙洞小凈距隧道設計施工關鍵技術研究模型試驗等。

1.3 計算機模擬

隨著計算機技術的迅速發展，它在隧道與地下工程中的應用也越來越廣泛，各種數值模擬方法也進入了實用階段：如有限單元法(FME)、有限差分法(FDM)、邊界元法(BEM)、離散單元法(DME)、流形元法(MEM)以及無單元法(Element-Free method)等相繼出現，并且在科學研究和工程應用領域里發揮著重要的作用。

1.4 現場試驗

現場試驗是隧道與地下工程研究領域中一種很好的研究方法，通過安裝使用不同類型的量測儀器，所測量到的數據通常具有能更真實、全面、及時地反映實際工程問題的優點，它不僅為理論研究提供了基本的依據，而且可以直接指導實際工程。現在國內外的許多大型、新型或特殊結構工程都積極采用現場試驗的方法進行研究。

鑒于隧道與地下工程的受力特點及其復雜性，自20世紀50年代以來，國際上就開始通過對地下工程的量測來監視圍巖和支護的穩定性，并逐漸應用現場量測結果來校正和修改設計。現場試驗的內容主要包括以下項目：(1)現場觀測，包括維修加固處的圍巖穩定性，圍巖構造情況，支護變形與穩定情況及校核設計時采用的圍巖分類；(2)巖體力學參數測試，包括抗壓強度，變形模量，粘聚力，內摩擦力及泊松比；(3)應力應變測試，包括支護結構的應力、應變及圍巖與支護和各種支護間的接觸應力；(4)壓力測試，包括襯砌上的圍巖壓力和滲水壓力等；(5)位移測試，包括圍巖位移，地表沉降，支護結構位移及圍巖與支護傾斜度；(6)溫度測試，包括巖體溫度，洞內溫度及氣溫；(7)物理探測，包括彈性波測試和電阻率測試等。根據不同的研究目的，可選擇不同的測試項目。

2 隧道病害的主要加固對策探討

隧道病害最終反映到二次襯砌上，使二次襯砌發生裂損或破壞。襯砌裂損的維護指怎樣防止未裂混凝土發生裂損；襯砌加固指怎樣控制裂損部位的增加、范圍的擴大及其危害程度的加劇。整治襯砌裂損病害首先要消滅已有襯砌裂損帶來的對結構及運營的一切危害，并防止襯砌裂損的加大，其次采取穩固圍巖為主，穩固圍巖與加固襯砌相結合的綜合治理措施。

襯砌病害的加固方法有很多，但有的受到凈空限制、有的受到運營條件限，因此在不同階段、不同隧道、不同地質條件、不同的病害形式、不同應力場采取的加固方法都是不同的。對不同的襯砌病害的治理、維護加固應該遵循圖1所示流程。

圖1 隧道病害維護加固流程

隧道維護加固對策主要有嵌縫加固、局部斷面加固、噴射混凝土、回填壓注、錨桿加固、拱架加固、內表面加固、內襯等。

2.1 嵌縫加固

襯砌出現少量裂縫，裂縫的寬度、深度都不大，不影響襯砌結構的完整性且裂縫發展基本穩定時，采用高強度砂漿對裂縫進行維護加固。沿裂縫延伸范圍鑿成楔形槽，槽寬不小于5cm，深度接近裂縫寬度，并且把槽做成外窄內寬，用水沖洗干凈后，用高強度水泥漿、膨脹性水泥漿、環氧樹脂砂漿或者環氧樹脂混凝土嵌補。

2.2 局部斷面加固

在鑿落處及襯砌斷面缺損部分應該修復斷面。作為剝落，鑿落等局部較小范圍的修補可用摻有高分子材料(環氧樹脂)的砂漿進行充填，涂抹。但是對于較大斷面的修補可以采用金屬網、錨栓、鋼板、纖維板修復，使修復材料和既有有效襯砌一體化

2.3 回填壓注

回填注漿后，襯砌背后的空洞被填補，破碎圍巖得以膠結，增大了巖體之間的摩擦力，圍巖與襯砌密貼，改善了受力狀態，從而使襯砌背后圍巖形成一個支撐環防止了二次襯砌的進一步開裂和變形。因此回填壓注常常作為治理此類病害的基本對策。

在進行回填壓注時掌握襯砌背后空洞的有無及其大小是非常重要的。因此要充分調查地質、涌水狀況、圍巖崩落地點的施工記錄等。作為事前調查應該盡可能地收集既有資料和進行現場調查，特別要很好掌握竣工圖與現場對比的實際情況。對襯砌的病害狀態、可能的空洞大小、涌水狀況等進行評估，據此進行經濟合理的回填壓注設計。在特殊條件下若隧道涌水為飲用水時，應仔細調查和評估回填壓注對環境(地下水系)的影響，慎重決策。

但是即使襯砌背后存在空洞也有不適宜采用回填壓注的場合，主要有以下幾種情況：

(1)涌水量大，壓注漿液困難；

(2)襯砌材質不良，因壓注壓力可能引起隧道病害；

(3)襯砌開裂或斷面缺陷顯著，壓注材料有可能流入隧道；

(4)襯砌背后壓注可能堵塞排水，有可能誘發其它隧道病害。

2.4 錨桿加固

在隧道病害治理中，噴混凝土和錨桿常常一起使用，以維護加固隧道。錨桿加固對隧道壁面向凈空側的變形具有內壓效果。采用錨桿加固能夠控制因塑性地壓和偏壓造成的病害發展，在襯砌出現裂縫時也可防止襯砌掉塊。在膨脹性圍巖有很大地壓的場合，可用灌漿錨索代替錨桿。但是要想獲得理想的錨固效果必須能使錨桿與周邊圍巖確實地錨固。因此在決定采用錨桿加固之前要對圍巖進行調查，主要應該調查隧道周邊地質狀況、涌水狀況、限界富裕、襯砌狀況、施工條件等。錨桿加固原則上應該導入預應力。錨桿加固范圍應該考慮地形、地質狀況，病害的原因(地壓的方向)、病害現象(病害程度)、隧道斷面形狀、隧道構造等因素確定。在病害不嚴重的情況下，垂直地壓是主要的場合，僅在拱部；側壓是主要的場合，僅在側壁。當病害較嚴重時，不管地壓的方向，以側壁拱部全范圍為對象；在底部有顯著底鼓的場合，也要在底部采取措施。

2.5 噴混凝土加固

對于裂縫較多，但是裂縫深度較淺，裂縫發展緩慢的局部破損，可以采用噴射混凝土的方法對裂縫進行加固。噴射混凝土可以使已裂損的塊體緊密結合，阻止這些塊體的進一步松動，同時在噴射壓力作用下嵌入裂縫內一定深度，使裂縫粘結閉合，增強了原有裂損襯砌的整體性，大幅度提高了裂損襯砌的承載能力，達到加固的目的。當裂損嚴重時噴混凝土常與鋼筋網、預應力錨桿(錨索)結合使用。在噴層中加入鋼筋網可防止收縮裂紋，提高加固結構的整體性和抗震、抗沖切能力。具體方法把有裂縫的二襯鑿去一定深度，并且鑿毛表面，用壓力水沖洗，打入膨脹螺栓，布設鋼筋網，噴射混凝土。此外，預應力錨桿或錨索的懸掛、減跨、組合梁和擠壓作用可以有效地改善圍巖和襯砌的受力狀態，使之趨于穩定。錨桿(包括錨索，一般加預應力)、噴層以及噴層內的鋼筋網三者優勢互補，對增加裂損襯砌的剛度、穩定性，提高結構承載力的效果顯著。

當襯砌裂損很嚴重需要鑿除二次襯砌進行加固時，常用含有速凝劑的噴射混凝土，它可在噴射后2～10 min內凝固，及時向圍巖提供支護抗力(徑向力)，使鑿除二次襯砌后的圍巖表層巖體由二向應力狀態轉變為三向應力狀態，改善圍巖的受力狀態。鑿除二襯前應該充分調查研究，防止在鑿除二襯的過程中隧道發生突然坍塌的重大事故。

2.6 拱架加固

拱架加固一般與內襯同時使用，計劃時應充分調查病害現象、限界富余、襯砌狀況及施工條件。拱架加固除有抵抗地壓的作用外，還有防止襯砌劣化剝落作用，同時襯砌限界富余量小的情況與內襯，金屬網，噴射混凝土配合使用。拱架加固的設計中要根據病害的程度、限界富余、隧道斷面形狀、尺寸等合理地設計材料、尺寸、間距、對策范圍和底腳、接頭等細節部位。加固拱架的材料應具有足夠的剛性，延伸度要大，彎曲和焊接施工性要好。一般采用具有合適剛度的型鋼(如H型鋼)。加固拱架原則上在斷面方向應從邊墻底部到拱部沿隧道全周采用，從加固效果看，全周設置最好，如經充分論證只在拱部設置，則要采取措施使拱架和既有襯砌成為一體。

2.7 內襯加固

內襯原則上采用鋼纖維混凝土(SFRC)。鋼纖維混凝土是一種新型復合建筑材料。普通混凝土本身具有微裂縫，抗拉、抗扭、阻裂性能較差，而鋼纖維混凝土有優良的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗裂、阻裂、耐沖擊、抗疲勞、高韌性等性能。在地下工程破損嚴重時，可以使用混凝土破碎劑鑿除二襯，采用格柵或鋼軌拱架臨時支護，防止塌陷、掉塊，隨即采用直徑15～25 mm，直徑0.3～0.5 mm，長徑比30～60，體積率0.6 %～2 %的噴射鋼纖維混凝土替換原有二襯。當鋼纖維混凝土厚度達到100 mm以上時，應與鋼筋或型鋼拱架并用。鋼纖維混凝土有良好的抗拉、抗彎、抗剪、抗裂、阻裂性能，并且采用噴射工藝時，具有施工快捷，結構安全可靠、對運營影響小等優點。受隧道變形的影響和隧道本身的凈空斷面限制，內襯的厚度都比較小(150 mm以下)，同時因作業空間狹小，若采用混凝土結構時，常常不能夠確保保護層的厚度，采用鋼纖維混凝土可減薄內襯厚度，也可達到維護加固的效果。此外運用鋼纖維混凝土加固隧道對于襯砌劣化、涌水及凍害都是一種有效的手段。隧道加固襯砌要承受較大的軸力，因此為了支持軸力應在內襯的底腳設置基礎，有仰拱的情況可通過仰拱傳遞斷面力。當內襯厚度較大時應與拱架加固結合使用。

3 結束語

隧道維修加固有很多手段，包括前面提及的嵌縫加固、局部斷面加固、噴射混凝土、回填壓注、錨桿加固、拱架加固、內表面加固、內襯補強等，而每一種加固方案都有其獨特的適用性，分析每一種加固方案時，應綜合考慮線路的埋深、走向、隧道的病害情況(掉塊、剝蝕程度、空洞塌陷情況等)，經過經濟遴選確定最佳方案。加固方案一旦確定，就要針對該加固方案，進行計算分析，確定在滿足已有隧道耐久性和安全性的情況下的參數。

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孫齊(1991～)，男，碩士研究生，從事隧道安全性評估與維護研究。

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[定稿日期]2017-03-10