鐵路隧道襯砌拱部露筋整治工藝研究

曾 勇

(中鐵十八局集團(tuán) 第三工程有限公司,河北 涿州 400700)

近年來,國家交通行業(yè)快速發(fā)展,新建隧道的比例大幅提升,而隨著西部大開發(fā)持續(xù)推進(jìn),西部地區(qū)隧道的修建速度正不斷加快。因施工工藝或質(zhì)量欠缺,既有隧道病害形式多樣,常見的病害形式包括隧道襯砌空洞、防水板切割、滲漏水、襯砌裂縫以及襯砌露筋等問題[1],針對空洞以及襯砌裂縫,國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過大量研究,而防水板切割及襯砌露筋等問題目前相關(guān)研究成果較少,襯砌露筋會對襯砌結(jié)構(gòu)承載力帶來一定影響,長時間襯砌露筋會導(dǎo)致鋼筋銹蝕,嚴(yán)重影響隧道運營安全,目前國內(nèi)外專家學(xué)者對該病害并未過多關(guān)注,盡早對襯砌露筋病害展開研究十分重要。

國內(nèi)針對襯砌露筋問題的處置措施研究較少。劉上春等針對襯砌表面缺損露筋,提出表面防護(hù)和缺損修復(fù)方案,并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用,可取得較好的應(yīng)用效果[2]。趙娟娟根據(jù)襯砌露筋病害的產(chǎn)生原因,結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗,提出相應(yīng)的防治措施[3]。高墅采用硅烷、環(huán)氧樹脂等化學(xué)漿材處理此類問題,施工工藝為環(huán)氧砂漿涂抹加硅烷噴涂,處理效果滿足設(shè)計及規(guī)范要求[4]。

這些研究鮮有襯砌露筋對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究。本文依托某鐵路隧道襯砌露筋缺陷整治,對隧道拱部襯砌露筋缺陷的整治技術(shù)進(jìn)行研究,以消除隧道襯砌露筋安全隱患,并為類似病害整治提供借鑒。

1 隧道檢測情況

1.1 強(qiáng)度檢測情況

某鐵路隧道總長度超過5 000 m,絕大部分是溶蝕、剝蝕以及侵蝕低山地形地貌,隧道最大埋深達(dá)349 m,該隧道洞身圍巖大多為Ⅲ～Ⅴ級,是剝蝕丘陵地貌,屬單斜構(gòu)造,節(jié)理多呈微張狀至張開狀。根據(jù)檢測結(jié)果,該隧道DK86+396至DK86+408缺陷段C35混凝土無損檢測和強(qiáng)度檢測平均值為40.4 MPa(設(shè)計值35 MPa),隧道DK86+465至DK86+472缺陷段C35混凝土無損檢測和強(qiáng)度檢測平均值為43.7 MPa(設(shè)計值35 MPa),隧道DK87+125至DK87+130缺陷段C35混凝土無損檢測和強(qiáng)度檢測平均值為41.7 MPa(設(shè)計值35 MPa),隧道DK87+185至DK87+188缺陷段C35混凝土無損檢測和強(qiáng)度檢測平均值為41.1 MPa(設(shè)計值35 MPa),隧道DK87+365至DK87+372缺陷段C35混凝土無損檢測和強(qiáng)度檢測平均值為42.1 MPa(設(shè)計值35 MPa)。

1.2 掌子面素描情況

根據(jù)缺陷段代表性掌子面素描結(jié)果,DK86+396、DK86+568處圍巖為泥巖,紫紅色,整體,節(jié)理裂隙發(fā)育,地下水以滴滲水為主;DK87+137、DK87+286處圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,穩(wěn)定性較差,地下水較發(fā)育,含飽和基巖裂隙水;DK87+432、DK87+456處圍巖為泥巖,局部夾砂巖,黃褐色,該段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,穩(wěn)定性較差,局部段落含水量較大;DK87+578、DK87+642處圍巖為泥巖,局部夾砂巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,穩(wěn)定性較差,地下水發(fā)育。

1.3 變形監(jiān)測情況

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以看出,DK86+600處缺陷段初支拱頂下沉已經(jīng)收斂,最終收斂值為7.40 mm,周邊收斂量為7.00 mm、1.80 mm;DK86+620處缺陷段初支拱頂下沉已經(jīng)收斂,最終收斂值為5.70 mm,周邊收斂量為4.50 mm、0.30 mm;DK87+640處缺陷段初支拱頂下沉已經(jīng)收斂,最終收斂值為0 mm,周邊收斂量為0 mm;DK87+660處缺陷段初支拱頂下沉已經(jīng)收斂,最終收斂值為3.00 mm,周邊收斂量為5.00 mm、4.90 mm。綜上可知,拱頂及周邊沉降趨于穩(wěn)定,圍巖—支護(hù)體系穩(wěn)定。

2 隧道缺陷成因和治理措施

2.1 隧道缺陷成因

DK87+349拱頂漏筋,長1 m,寬0.6 m。面積0.6 m2。缺陷見圖1。

圖1 鋼筋外露

通過研究分析,鋼筋外露的主要原因是質(zhì)量控制沒有注意細(xì)節(jié),導(dǎo)致二次襯砌混凝土澆筑時,混凝土外溢至局部未焊接牢固或存在裂縫的防水板外面,在混凝土自重以及振搗作用下,二襯鋼筋被壓至襯砌臺車鋼模位置,造成鋼筋出現(xiàn)外露現(xiàn)象。

2.2 治理措施

針對隧道二次襯砌存在混凝土露筋質(zhì)量缺陷,根據(jù)施工單位提供的資料,現(xiàn)場采用以下措施進(jìn)行整治:鑿除修補(bǔ)混凝土(深度7 cm),打磨順圓,高壓水槍沖洗干凈;對露出鋼筋涂刷2道E-44型環(huán)氧樹脂進(jìn)行防腐處理;混凝土鑿除表面涂刷3道水泥基滲透結(jié)晶型防水材料(水灰比W/C=0.3：1)。

3 數(shù)值計算

3.1 計算模型及工況

根據(jù)現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》圍巖級別的劃分,考慮隧道埋深,按地層—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算,根據(jù)襯砌設(shè)計參數(shù)相關(guān)資料,結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》,對本隧道缺陷段進(jìn)行檢算。根據(jù)地層—結(jié)構(gòu)模型理論,為了消除邊界效應(yīng),計算模型左右邊界取5倍隧道洞徑,下邊界取5倍隧道高度,數(shù)值模型尺寸為90 m(長)×90 m(高)×10 m(寬),如圖2所示。圍巖級別為Ⅴ級,采用摩爾庫倫本構(gòu)模型,初期支護(hù)及二襯采用彈性模型,等效鋼筋層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。下邊界施加豎向約束,左右邊界施加水平約束,上邊界為自由邊界,采用FLAC3D進(jìn)行計算。計算工況如表1所示。

表1 二襯混凝土露筋缺陷計算工況

(a)隧道地層—結(jié)構(gòu)三維圖

工況1缺陷里程為DK87+349,檢算為Ⅴ級圍巖,Ⅴc型復(fù)合襯砌,襯砌強(qiáng)度等級為C35,Ⅴc型復(fù)合襯砌埋深為43 m。

3.2 計算原理

為了更好模擬鋼筋混凝土,解決鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度折減法中的應(yīng)用問題,結(jié)合參考文獻(xiàn)[5]和[6],根據(jù)摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則要求,得出鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)等效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(主要為黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ),以及等效抗拉強(qiáng)度σt等系列公式。

鋼筋混凝土等效材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ分別為:

(1)

(2)

式中,Gs為鋼筋的剪切模量,Gc為混凝土的剪切模量,vs為鋼筋混凝土配筋率,cc、φc分別為混凝土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

鋼筋混凝土等效材料的抗拉強(qiáng)度為:

(3)

式中,Es為鋼筋的彈性模量,Ec為混凝土的彈性模量,σtc為混凝土的抗拉強(qiáng)度。

按照襯砌結(jié)構(gòu)特性和其受力主要特征,可以判斷環(huán)向鋼筋是核心受力筋,從而在計算中不考慮縱向鋼筋在承載中相關(guān)影響。

3.3 計算參數(shù)

為了更加符合檢算段的實際受力狀態(tài),本次計算的材料參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》,以及地質(zhì)勘探得到的參數(shù)建議進(jìn)行綜合取值。二次襯砌強(qiáng)度和厚度按設(shè)計參數(shù)確定。結(jié)合等效鋼筋混凝土層計算轉(zhuǎn)換公式,可求出等效鋼筋混凝土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c,φ)和抗拉強(qiáng)度(σt)。等效鋼筋混凝土層、圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表2所示。

表2 等效鋼筋混凝土層、圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表

3.4 控制標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于襯砌變形控制標(biāo)準(zhǔn)可參考相關(guān)監(jiān)控量測規(guī)范,《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》具體控制標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示。

表3 襯砌位移控制標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)設(shè)計資料可知,拱部、邊墻、仰拱均采用C35鋼筋混凝土;根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》,混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土的極限強(qiáng)度應(yīng)按表4采用。

表4 混凝土極限強(qiáng)度設(shè)計值 單位:MPa

針對兩種控制標(biāo)準(zhǔn),由于拆換前后對襯砌結(jié)構(gòu)的位移影響較小,因此我們主要對拆換前后襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行分析,采用強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)作為評判準(zhǔn)則。結(jié)合混凝土極限強(qiáng)度設(shè)計值以及規(guī)范相關(guān)規(guī)定,采用最大拉應(yīng)力2.4 MPa和極限抗壓強(qiáng)度26 MPa作為襯砌拆換前后結(jié)構(gòu)安全的控制界限。

3.5 計算結(jié)果分析

對整治前后的襯砌最大與最小主應(yīng)力云圖進(jìn)行切片,如圖3和圖4所示。

(a)整治前

(a)整治前

由圖3和圖4可知,當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)經(jīng)過整治后(不露筋狀態(tài)下),襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力均明顯增大,整治后襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力會有所減小,襯砌結(jié)構(gòu)在整治前最大主應(yīng)力為0.128 MPa,在整治后最大主應(yīng)力為0.074 MPa,均小于抗拉設(shè)計強(qiáng)度。整治前后襯砌結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力分別為0.660 MPa、0.395 MPa,均小于抗壓設(shè)計強(qiáng)度。說明整治前后結(jié)構(gòu)均是安全的。襯砌露筋并不會降低襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力,處理該缺陷最重要的是為了防止外露鋼筋遭到侵蝕,進(jìn)一步影響到襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力,同時外露鋼筋周圍的襯砌混凝土容易脫落,導(dǎo)致隧道產(chǎn)生新的病害,影響運營安全。

對整治前后襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移進(jìn)行計算,如圖5所示。

(a)整治前

對整治前后的襯砌全環(huán)位移云圖進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)二襯結(jié)構(gòu)位移最大位置在仰拱底部中央(顏色最深處),最大變化差值:(3.280-3.225)×10-4=0.055×10-4(m),幾乎為0,表明襯砌露筋對結(jié)構(gòu)位移影響較小,在圍巖—初支穩(wěn)定情況下,襯砌鋼筋外露時結(jié)構(gòu)仍可以保持其整體穩(wěn)定性,考慮襯砌露筋易產(chǎn)生銹蝕、腐蝕,對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及變形性能造成影響,為保障結(jié)構(gòu)的耐久性,采用環(huán)氧砂漿封閉鋼筋,并涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料防止襯砌混凝土劣化。

3.6 整治效果

缺陷處混凝土經(jīng)鑿除打磨圓順后,對外露鋼筋涂刷環(huán)氧樹脂進(jìn)行防腐處理,并對混凝土表面處理干凈以后,仔細(xì)涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水建材,實踐證明存在缺陷的混凝土露筋情況被治理后效果非常好,且混凝土外觀品質(zhì)較好,結(jié)構(gòu)防水及防腐處理能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論與建議

(1)基于數(shù)值模擬對整治前后襯砌主應(yīng)力和位移進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)整治后襯砌主應(yīng)力有所減小,但襯砌位移變化量較小,表明采用該整治措施能有效提高襯砌結(jié)構(gòu)承載能力,對于鋼筋混凝土襯砌,整治前后襯砌豎向位移控制效果并不顯著。

(2)經(jīng)整治效果驗證,涂刷2道E-44型環(huán)氧樹脂進(jìn)行防腐處理,可防止襯砌外露鋼筋銹蝕,能有效改善襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力,該整治方案簡單易行,能夠?qū)σr砌露筋造成的安全隱患及時消除,確保鐵路隧道運營安全。

(3)由于鐵路隧道存在一定的復(fù)雜性和不確定性,建議隧道運營期對缺陷鑿除后的整治部位進(jìn)行必要的觀察或監(jiān)測,以確保隧道運營過程結(jié)構(gòu)安全。