隧道襯砌粘貼W鋼帶加固方案設(shè)計及施工技術(shù)要點

趙銘偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隧道工程作為地下隱蔽的工程，具有很多方面的難度，如危險因素多、施工條件限制、地質(zhì)復(fù)雜多變、施工環(huán)境差和不可預(yù)見性強等，故隧道工程的安全性和技術(shù)難度都較大。常見的隧道病害有洞口病害、隧道排水系統(tǒng)不暢、襯砌裂縫和滲水以及隧道路面病害等[1-3]。隧道施工過程中，襯砌階段顯得尤為重要，隧道常見的事故發(fā)生原因調(diào)查中很大程度上都是由于襯砌設(shè)計不合理或者施工不規(guī)范造成的，施工不當(dāng)對圍巖擾動較大，更容易造成坍塌等嚴(yán)重后果[4]。

1 工程概況

洛欒高速全長129.226 km，于2012年年底通車，設(shè)計速度為80 km/h，在K83+480標(biāo)段處存在一隧道，該隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，且按照新奧法原理進行設(shè)計施工。據(jù)原始數(shù)據(jù)顯示，該隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計主要以錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護為初期支護，二次支護措施采用模筑混凝土，二次襯砌采用C30素混凝土及C35（C30）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)合2015年隧道定期檢測和踏勘結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隧道存在數(shù)量較多的常規(guī)病害。具體來講，該隧道存在很多環(huán)向、縱向、斜向裂縫。其中左洞共有裂縫80條，裂縫在距進口100～200 m、400～500 m、700～800 m 段發(fā)育較集中，裂縫總長為428.8 m。其中環(huán)向裂縫50條，裂縫總長為258.1 m，單條裂縫最長為21 m，裂縫最寬為10 mm；縱向裂縫23條，裂縫總長為137.2 m，單條裂縫最長為12 m，裂縫最寬的地方長度為10 mm；而斜向裂縫一共有7條，其裂縫總長達(dá)到33.5 m，單條裂縫最長為8 m，裂縫最寬為1.2 mm。而在右洞共有裂縫121條，距進口0～300 m和400～700 m段裂縫的發(fā)育較為集中，裂縫總長為718.2 m。其中環(huán)向裂縫66條，裂縫總長為384.3 m，單條裂縫最長為21 m，裂縫最寬為2 mm；縱向裂縫25條，裂縫總長為208.5 m，單條裂縫最長為21 m，裂縫最寬為2 mm；斜向裂縫總長為125.4 m，共有30條，其中裂縫最寬的地方高達(dá)1.6 mm，最長的單條裂縫長為12 m。綜上檢查結(jié)果，這些病害暫時不會對結(jié)構(gòu)安全有很嚴(yán)重的影響，但是一定程度上會影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。為了保證高速公路橋梁與隧道安全運營，保證高速公路隧道的可靠性和耐久性，同時延長隧道的使用壽命，相關(guān)部門擬采用適合的加固襯砌方案進行處理，主要從隧道病害原因分析、加固方案設(shè)計、施工工藝和施工質(zhì)量控制等方面進行研究分析，以期對隧道襯砌加固相關(guān)問題起到一定借鑒作用和參考價值。

2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害原因分析

從病害調(diào)查結(jié)果可以看出，隧道襯砌的裂縫較為嚴(yán)重，要相對其進行有效的加固處理并選擇合理的加固方案，需要對其病害產(chǎn)生原因進行針對性分析，以期得到最佳的處理方案。據(jù)調(diào)查結(jié)果和原因分析，病害引起的主要是襯砌裂縫病害[5]，相應(yīng)產(chǎn)生的原因分析如下：

a）局部段落襯砌厚度可能不足，或襯砌強度不足，承載能力下降，導(dǎo)致拱部縱向開裂。

b）襯砌厚度不均勻，且局部段落存在明顯的脫空、空洞、不密實等缺陷，導(dǎo)致襯砌受力不均，產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂。

c）邊墻或隧底施工不規(guī)范，導(dǎo)致拱腳位置基礎(chǔ)穩(wěn)定性差，邊墻應(yīng)力集中產(chǎn)生縱向、斜向裂縫。

d）在施工過程中，其質(zhì)量控制不夠精確和嚴(yán)格，尤其是混凝土的養(yǎng)護問題，常常養(yǎng)護不到位會產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

e）隧道防排水設(shè)施不完善，排水能力弱，導(dǎo)致襯砌背后積水，襯砌結(jié)構(gòu)承受較高水壓。同時襯砌會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，襯砌防水板存在不完整或搭接不良等缺陷；襯砌背后可能存在不密實區(qū)及空洞，易形成地下水匯集區(qū)。

3 加固方案設(shè)計

在采用加固方案設(shè)計的時候，對于襯砌加固采用的方案要具有較強可操作性，且與施工條件、施工材料及工藝密切聯(lián)系，襯砌加固補強要能夠盡可能地保持原來結(jié)構(gòu)的完整性。綜合該工程病害調(diào)查結(jié)果和原因分析以及相關(guān)規(guī)范要求，綜合業(yè)主單位、施工單位、設(shè)計單位相關(guān)專家和負(fù)責(zé)人的意見，最終決定采用粘貼鋼板（帶）的方法對隧道襯砌進行加固。

3.1 W鋼帶處治設(shè)計

襯砌的混凝土等級為C30，二次襯砌的厚度為25 cm。結(jié)合采用的處治設(shè)計要求、施工具體情況以及規(guī)范《礦用 W 型鋼帶》（MT/T861—2000）[6]，最終確定鋼帶的厚度為5 mm，寬度為25 cm，單片鋼帶有效截面積A=1 500 mm2，截面高度為25.5 mm，每環(huán)縱向間距100 cm。

在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼帶黏結(jié)為一體，再采用錨栓進行固定鋼帶。錨栓采用M16化學(xué)錨固螺栓，植入深度不小于16 cm。黏鋼膠抗沖擊剝離長度小于20 mm，快速濕熱老化時間為10 d，檢驗經(jīng)快速濕熱老化后的試件在常溫條件下鋼-鋼拉伸抗剪強度降低百分率不得大于8%。黏鋼膠應(yīng)具備有資質(zhì)機構(gòu)認(rèn)證的凍融循環(huán)報告，環(huán)保無毒報告。圖1為W鋼帶加固設(shè)計立面圖，其中A處的放大圖見圖2所示。表1為粘貼鋼帶（板）用膠黏劑基本性能指標(biāo)；表2為錨固用膠黏劑主要性能指標(biāo)。

圖1 W鋼帶加固立面圖（比例：1∶100）

圖 2 A 部大樣圖（比例：1∶10）

表1 粘貼鋼帶（板）用膠黏劑基本性能指標(biāo)

表2 錨固用膠黏劑主要性能指標(biāo)

3.2 處治后襯砌表面涂裝設(shè)計

為改善修復(fù)后隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面外觀，并消除因襯砌病害處治給人們造成的心理壓力，在對隧道襯砌病害進行處治后，應(yīng)及時對處治位置襯砌表面進行美化。同時考慮到對處治效果的加固、封閉和補強作用，應(yīng)采用聚合物改性水泥砂漿進行表面涂裝，使用前應(yīng)先進行現(xiàn)場試驗[7]，要求涂裝后襯砌病害處治位置表面與周圍襯砌表面不出現(xiàn)明顯色差，涂裝范圍如下：

a）對襯砌裂縫，涂裝寬度取裂縫兩側(cè)各 10 cm，長度與裂縫同長。

b）對襯砌滲漏水，涂裝范圍比病害處治范圍每邊擴大15 cm。

c）對襯砌W鋼帶加固，涂裝范圍為襯砌全斷面，縱向涂裝長度與加固長度一致。

d）對襯砌鋼板加固，環(huán)向涂裝范圍取3.5 m。

聚合物改性水泥砂漿（如改性環(huán)氧類等）在應(yīng)用前應(yīng)確認(rèn)有成功的類似工程使用經(jīng)驗，并進行現(xiàn)場試驗，選擇滿足施工要求的水泥砂漿。不得使用耐水性差的水溶性聚合物。除此之外，氯偏乳液和苯丙乳液等不能應(yīng)用，前者會加速鋼筋的銹蝕，而后者會嚴(yán)重影響耐久性，同時這些液體也對人體有危害。

4 粘貼W鋼帶施工工藝

粘貼W鋼帶是加固效果影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括基面的處理、W鋼帶制作以及粘貼W鋼帶3個方面。

4.1 基面處理

a）在粘貼鋼帶位置進行基面處理，基面應(yīng)保證平整圓順，平整度不大于1.5 mm/m。清除襯砌表面范圍應(yīng)滿足鋼帶固定范圍。

b）將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

c）鉆制錨栓預(yù)留孔。

4.2 W鋼帶制作

a）在鋼帶黏結(jié)面需要進行打磨，為了保持鋼帶黏結(jié)面具有一定的粗糙度，采用除銹機或噴砂沿著與鋼帶受力垂直的方向進行打磨，直到表面露出金屬的光澤為止；用脫脂棉沾丙酮將鋼帶表面擦拭干凈。

b）依據(jù)現(xiàn)場植埋的錨栓位置、間距，對固定的鋼帶進行配套打孔。

c）鋼帶外露面涂刷防腐底漆3道。

4.3 粘貼W鋼帶

4.3.1 粘貼W鋼帶工藝流程

鉆孔植埋全螺紋錨栓→配制結(jié)構(gòu)膠→襯砌表面及鋼帶涂刷膠黏劑→安裝W鋼帶→封邊→鋼帶表面防腐處理。

4.3.2 粘貼鋼帶的施工要點

a）鉆孔植埋錨栓。

（a）依照設(shè)計圖紙的要求，放出需鉆孔的位置。

（b）應(yīng)采用與錨栓直徑配套的鉆頭進行鉆孔。

（c）在鉆孔過程中要保持干燥，同時應(yīng)該清理得非常干凈，不能出現(xiàn)油污。

（d）植錨栓的施工按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB 50367—2013）[8]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

b）配制結(jié)構(gòu)膠 按照供應(yīng)商提供的產(chǎn)品說明書要求配制結(jié)構(gòu)膠，在制備時攪拌要均勻，采用低速的攪拌器即可，同時在適用期內(nèi)將結(jié)構(gòu)膠使用完。按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB 50367—2013）[8]的要求，采用的膠黏劑應(yīng)該在耐久性和力學(xué)指標(biāo)方面滿足規(guī)定的要求。

c）涂刷膠黏劑 涂刷膠黏劑前應(yīng)對襯砌表面進行基面處理，保證粘貼面堅實干燥，對表面缺損處及不平整處采用改性環(huán)氧砂漿進行找平處理。基面處理完成后，在襯砌表面及鋼帶均勻地涂刷膠黏劑，膠黏劑的膠層應(yīng)有足夠的厚度。

d）安裝鋼帶 將鋼帶固定在錨栓上，通過錨栓將鋼板刷膠面密貼在已涂刷膠黏劑的基面上，鋼板與襯砌應(yīng)密貼，應(yīng)避免局部脫空。鋼帶分段處采用平口焊接連接，再用長60 cm的W接頭鋼帶進行搭接，接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用錨栓固定，并用黏鋼膠黏結(jié)。

e）鋼帶表面防腐處理 在清除存在于鋼帶表面的污垢之前，需要檢查鋼帶粘貼固化密實效果，確認(rèn)其可靠后進行下一步。對安裝過程中造成的底漆破損進行補漆，再在鋼帶外露面涂刷面漆4道。

f）處治進行鋼帶分段時，鋼帶連接采用平口焊接，再用長60 cm的W接頭鋼帶進行搭接，接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用錨栓固定，并用黏鋼膠黏結(jié)。

5 施工質(zhì)量控制要點

5.1 質(zhì)量控制

鋼帶（板）外觀平整、圓順，膠體應(yīng)固化，錨固應(yīng)牢靠。鋼板尺寸、厚度、防腐處理，錨栓間距應(yīng)滿足設(shè)計要求，膠層應(yīng)均勻，無局部過厚、過薄現(xiàn)象。除此之外，粘貼鋼帶（板）加固施工質(zhì)量控制應(yīng)符合表3所示的要求[9]。

表3 粘貼鋼帶（板）加固施工質(zhì)量控制

5.2 注意事項

在整個治理期間及實施完成后，均應(yīng)進行適當(dāng)結(jié)構(gòu)狀況觀測工作，通過觀測裂縫、滲漏水、襯砌剝落等特征變化，及時反饋信息以修正設(shè)計和采取應(yīng)急措施，保證結(jié)構(gòu)安全。需要著重關(guān)注以下幾點施工注意事項：

a）由于襯砌裂縫的產(chǎn)生與排水也有很大的關(guān)系，故在所有施工過程之前，需要對隧道端洞頂破損或下陷的病害進行處理，解決由于洞頂排水溝的“中間低、兩頭高”而產(chǎn)生的排水不暢問題。必要的情況下，需要對端口頂端排水溝進行全部拆除和重新建造以達(dá)到有效排水的目的，具體注意以下幾點。

（a）拆除現(xiàn)有洞頂排水溝，開挖回填層，并按1∶0.5進行放坡，滿足新建洞頂排水溝設(shè)置要求。

（b）對排水溝基底進行人工夯實，且表層壓實度不小于92%。

（c）在原位緊挨洞門墻處新建M7.5漿砌片石排水溝。

（d）用黏土分層回填排水溝與開挖輪廓線之間的空隙，要求每層回填厚度不大于25 cm、壓實度不低于92%，施工后應(yīng)保證洞頂回填縱坡為1∶10，確保坡面水能順暢流入洞頂排水溝。

b）為了提高黏結(jié)膠黏合固化效果，針對隧道內(nèi)二次襯砌露筋病害進行處治時，先進行基面處理后用聚合物水泥砂漿封閉襯砌露筋處及其周邊5 cm范圍襯砌。

c）膠黏劑儲存與使用過程中應(yīng)按材料使用說明，做好防火措施，禁止使用明火或攜帶火種接近。

d）為了提高黏結(jié)效果，應(yīng)及時將黏鋼混凝土表面清理干凈，并在鋼帶抹膠表面進行無污染和無粉塵的清理，露出混凝土表面。鋼帶（板）是根據(jù)隧道內(nèi)輪廓標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計，實際斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面有差異時，結(jié)合現(xiàn)場情況調(diào)整。

e）施工過程應(yīng)精細(xì)施工，加強對襯砌結(jié)構(gòu)的觀察，如有異常及時查明原因才可繼續(xù)施工，避免對襯砌造成損傷。值得注意的是，在采用植筋方式時，不能夠?qū)⒛z黏劑直接涂抹在鋼筋上。

6 結(jié)論

為了保證高速公路橋梁與隧道安全運營，保證高速公路隧道的可靠性和耐久性，延長隧道的使用壽命，相關(guān)部門擬采用適合的加固襯砌方案進行處理，主要從隧道病害原因分析、加固方案設(shè)計、施工工藝和施工質(zhì)量控制等方面進行研究分析，以期為隧道襯砌加固相關(guān)問題起到一定借鑒作用和參考價值。