公路隧道襯砌全斷面拆換施工病害處治研究

孫 迪

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著公路隧道運營年限的增加,病害問題逐年顯現,除常規的裂縫、滲漏水等病害外,建設時期的一些特殊地質段受到后期外部環境變化等因素的影響,襯砌易產生結構性病害,既影響隧道技術狀況等級,也對行車及自身結構安全帶來極大隱患[1]。運營隧道結構性病害的處治是運營隧道維修養護的重點。對于襯砌嚴重破損、錯臺的重點病害,工程技術人員在長期積累中也進行了相應的總結。劉繼靈等[2]分析了襯砌拆換的變形特征。劉彬[3]對隧道襯砌脫空缺陷拆換的處治工法進行了經驗論證。同時,一些專家學者也對不同地質條件下的襯砌拆換提出了經驗建議[4-6]。

1 工程概況

1.1 隧道基本情況

隧道位于長深高速,全長730m,于2008年建成通車。二襯為(鋼筋)混凝土結構,路面類型為瀝青混凝土面層的復合式路面結構,隧道建筑限界凈寬10.75m,建筑限界凈高5.5m。

1.2 病害情況

在定期檢查過程中,發現隧道24～25板襯砌拱部施工縫部位存在嚴重的錯臺現象,錯臺高差15cm,止水帶外露,同時襯砌結構裂縫密集,縱向及環向裂縫交錯,呈現網裂狀態,裂縫最大寬度8mm。通過地質雷達檢測發現,襯砌拱部病害區域厚度嚴重不足,厚度最大不足處為17.5cm,為設計厚度的50%,同時對病害區域進行混凝土強度檢測,混凝土芯樣抗壓強度為24.7MPa,小于設計強度等級C30的要求。此病害區域前期已采用臨時鋼架進行環向支撐。拱部襯砌錯臺見圖1。

圖1 拱部襯砌錯臺

1.3 地質條件

在病害區域襯砌拱頂上方發生變形病害部位進行地質勘察,主要為地質調繪和拱頂豎向鉆孔,鉆孔深度25m。根據隧道場地地質調查,隧道沿線地表出露3處構造帶,具體描述如下:

(1)距隧道洞口約25m處,可見層間構造帶,為強高嶺土化閃長玢巖侵入巖脈,沿層理面侵入,產狀為151°∠59°,水平寬度1.75m,垂直厚度1.65m。

(2)距鉆孔約左25m北側坡下,可見構造斷裂帶,且為強高嶺土化閃長玢巖侵入巖脈,由低至高呈現“尖滅狀”,走向120°,產狀為208°∠70°,出露最大水平寬度約5.10m,出露延伸長度約20.0m。

(3)距鉆孔約左25m北側坡下的山溝處見斷裂帶,與隧道走向近平行,該斷裂帶切割強高嶺土化閃長玢巖侵入巖脈。層間構造帶見圖2。

圖2 層間構造帶

不良地質及特殊性巖土:不良地質現象主要為構造帶發育,特殊性巖土為膨脹性巖。膨脹性試驗數據顯示,黏土化閃長玢巖為弱膨脹巖。

1.4 病害原因分析

通過對現場的表觀病害檢查、強度檢測、襯砌厚度及背后缺陷檢查以及地質勘察,分析病害成因如下:隧道襯砌結構混凝土強度較低,抵抗外荷載能力較弱;二襯結構厚度不均,在長久的圍巖壓力作用下,二次襯砌受力不均,致使拱部區域出現開裂錯臺現象;病害區域拱部處在構造斷裂帶,同時地質鉆孔揭露的巖體為黏土化閃長玢巖,具有弱膨脹性,北方季節變換凍融循環,春融期軟巖地層含水率急劇增加,膨脹壓力顯著。

地質條件因素和襯砌結構本身的缺陷是導致隧道襯砌出現嚴重結構性病害的重要原因。

2 全斷面拆換的處治思路

隧道病害區域處在構造破碎帶上,圍巖具有膨脹性且較為松散。通過無損檢測手段,發現結構存在背后脫空情況,拱部必然存在散落的圍巖,同時襯砌混凝土強度較低并存在大量裂縫。因此在施工過程中,松散體掉落及結構塌方是重要的風險點,必須采取相應的措施進行控制。背后脫空的回填以及膨脹性圍巖的處治也是重要環節。

結合現場實際情況,拆除結構前采用超前支護注漿的方式對拱部圍巖進行變形控制,采用分段拆除分段恢復的施工工序來進一步降低施工過程中結構塌落的風險。對于襯砌背后出現的脫空情況,采用輕質混凝土進行回填,對膨脹性圍巖采用錨桿注漿的方式限制遠期的吸水膨脹,并進一步加強初期支護及二襯的設計。通過以上處治思路來完成結構整體的拆換施工,解決病害并最大程度消除圍巖存在的安全隱患。同時,為進一步評估遠期處治效果,在內部埋設圍巖壓力、鋼支撐內力以及錨桿軸力傳感器,用于長期監測。

3 變形控制措施

3.1 超前導管支護

隧道結構拆除前,采用A76×6熱軋鋼管對拱部120°范圍進行超前支護,導管長10m,環向間距40cm,縱向排距1.6m,與水平方向夾角成30°,管壁四周設置A8注漿孔,間距20cm,呈梅花型布置,尾部30cm不鉆孔作為止漿段。縱向間距設置主要考慮和分段拆除的間距匹配,保證每一拆除段上部均存在拱部支撐,同時在結構拆除前將超前支護全部實施完畢,拱部形成棚護的同時,也爭取了漿液凝固的時間。

注漿漿液為普通水泥漿液,水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比為0.5∶1～1∶1.2,注漿壓力初壓為0.5～1.0MPa,終壓為2.0MPa。拱部超前支護見圖3。

圖3 拱部超前支護

3.2 分段拆除恢復

為進一步降低結構拆除過程中上部破碎圍巖塌落以及襯砌結構掉塊的可能性,拆除施工總體采用分段的方式進行,縱向拆除1.6m一個循環,環向分三段拆除,先墻后拱,拆除前先對未拆除段進行臨時鋼架支撐,拆除過程中設置襯砌監測點,關注結構動態變形情況,反饋施工。

每一段拆除后,立即對圍巖進行系統錨桿并注漿,錨桿采用RN25N中空注漿錨桿,漿液為水泥凈漿,注漿加固的目的一是為了凝結破碎的圍巖,二是為了讓膨脹性圍巖充分吸水飽和,限制后期膨脹變形,注漿加固質量是處治效果的重要控制點。

每一段施工結束后,結合拆除段依次順序作業,直至整板拆換完成,最后一次性澆筑二襯結構。

結構分段拆除中一項重要的控制措施是對拆除區域邊緣進行機械切割,阻斷機械振動對非拆除區域的影響,降低擾動。

4 背后脫空處治

4.1 圍巖處治

結構拆除后,襯砌背后呈現脫空狀態,因此在結合錨桿注漿加固的基礎上,對拱部空洞區域圍巖噴射C25早強混凝土(分三次噴射),初噴厚度5cm,然后打設系統錨桿,打設錨桿后掛A8鋼筋網,鋼筋網格尺寸150mm×150mm,然后復噴10cm C25早強混凝土。第三次混凝土噴射在初支鋼架與“V”字型鋼連接完畢后再噴射5cm C25早強混凝土,從而對圍巖形成封閉。

4.2 初期支護及空間桁架

初期支護采用14號工字鋼,拱部和仰拱部位閉合成環,鋼架間設置縱向連接筋,間距為0.5m。

拱部鋼架與圍巖之間的空隙處采用與鋼架同型號的“V”字型鋼補充支撐,“V”字型鋼與圍巖之間應增設墊板或支撐于錨桿墊板上,確保荷載傳遞路徑明確?？v向兩榀鋼架之間除設置縱向連接筋外,在“V”字型鋼部分增設與環形鋼架同型號斜向鋼支撐連接,形成空間桁架結構,“V”字型鋼支撐點間距不大于1m。支護桁架體系見圖4。

圖4 支護桁架體系

4.3 脫空回填

鋼架與圍巖間空腔采用輕骨料混凝土填充,空腔回填在下部仰拱及拱部環形鋼架和“V”字型鋼補充支撐施工結束后進行,輕骨料混凝土應用的配合比為:56kg水泥+112kg粉煤灰+1.16m3珍珠巖+0.4m3水,在回填內部空腔前對初期支護設置臨時內模板,以支撐輕骨料混凝土的回填,詳見圖5。

圖5 襯砌背后脫空回填

5 結構加強設計及健康監測

5.1 圍巖加強

由于病害區域處在構造斷裂帶上,且存在膨脹性圍巖,因此對圍巖的加強處治是重要的控制點。主要的控制手段為注漿加固,該方法在提高圍巖整體性的同時,也進一步增加了膨脹性圍巖吸水性,使其趨于飽和,限制后期吸水膨脹變形。

5.2 二次襯砌加強

隧道病害區域原設計為素混凝土結構,綜合病害特點及圍巖條件,對二襯結構進行加強設計。(1)將素混凝土調整為鋼筋混凝土。環向配筋:C25@20(雙層),縱向配筋:C12@20(雙層)。(2)提高混凝土標號,將原設計C30混凝土調整為C35補償收縮混凝土,膨脹劑用量45kg/m3,采用補償收縮混凝土可有效限制新舊混凝土及施工部位的收縮效應。(3)增加二襯設計厚度,將厚度由35cm增加到40cm,增強結構抵抗變形的能力。

結構恢復時,襯砌環向主筋下方與仰拱植筋進行雙面焊接,焊接長度不小于5d,提高仰拱與襯砌的整體性,結構拆換澆筑混凝土前,對新舊混凝土結合面進行鑿毛處理,增強連接。

5.3 監控布設

為進一步論證處治效果,在上述措施的基礎上,增加對全斷面拆換段結構的健康監測。增設錨桿軸力傳感器、圍巖壓力傳感器以及鋼架內力傳感器用以長期監測,實時反饋內部壓力的變化,目前結構受力穩定,后期會進一步跟蹤監測。通過全面的拆換工藝,形成了維修、監測以及后期養護相結合的綜合治理體系。

6 結論

結合依托工程隧道結構出現的病害特征、缺陷情況以及不良地質條件,采用全斷面拆換的方式處治破損襯砌,提出以下處治思路及結論:

(1)提出了公路運營隧道襯砌嚴重破損采用全斷面拆換的處治思路,并采取超前注漿支護,分段拆除恢復以及機械切割的風險控制措施,降低擾動及塌方風險。

(2)針對襯砌背后空洞,提出以錨桿網噴結合初支及內部支撐的空間桁架系統,并采用輕質混凝土回填的處治措施,有效處理了內部空腔。

(3)對于膨脹性圍巖的控制采用注漿飽和阻斷吸水及加強二襯結構為核心的手段。

(4)對于隧道的遠期運營采取埋設傳感器的監測系統,以形成長期的健康監測。