浅谈隧道二次衬砌缺陷及病害整治处理及其防治措施

时间:2022-09-02 06:00:19

浅谈隧道二次衬砌缺陷及病害整治处理及其防治措施

摘 要:结合宜万铁路隧道工程实例,分析二次衬砌缺陷和病害产生的原因,对营业线上隧道二衬缺陷和病害提出综合整治原则及具体整治措施,通过对二次衬砌缺陷和病害整治处理,达到预期的加固效果,为类似工程加固处理提供参考,并总结出防治措施,以期在今后的施工过程中尽量杜绝和避免二衬质量缺陷事故的发生。

关键词:隧道 二衬缺陷 原因分析 整治原则 整治处理 防治措施

中图分类号:U45 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)04(a)-0183-05

二衬混凝土在浇筑过程中常常受到人为因素、技术因素、混凝土干缩、徐变等因素的影响,在衬砌拱部和边墙与围岩接触面之间局部存在空洞、不密实、二衬厚度不足等现象,尤其是拱顶与围岩之间极易形成空隙。这种空隙常常会改变二次衬砌的整体受力结构,削弱其支护强度。根据新奥法理论,初期支护承载围岩70%左右的松散压力,二次衬砌仅是用作安全储备和满足净空尺寸等方面的需求。当围岩的收敛和下沉结束后进行二次衬砌的施工,在初期支护形成抗荷环,只要混凝土的强度达到设计及规范要求,那么就能保证隧道结构的安全。但目前国内的隧道施工现状,初期支护往往只是起到一个临时的封闭作用,确切的说是一个施工过程中的措施。当初期支护的水平收敛和拱顶下沉尚未完全稳定时,一般紧跟施做二次衬砌。所以二次衬砌的作用就不仅仅是安全储备,相反承载着较大的围岩松散压力。

在这种情况下,隧道是否存在二次衬砌厚度不足、衬砌背后有空洞、脱空或不密实等质量缺陷及病害,将直接影响隧道的安全性能。因为若有脱空、空洞等情况的存在,衬砌将无法在围岩和初期支护变形的第一时间起到主动限制变形的作用,只能在变形达到一定程度后被动支承,这样会给隧道安全造成巨大隐患。尤其是铁路隧道在目前高速动荷载作用下,安全隐患将更加突出。

鉴于此,隧道二衬质量缺陷及病害整治和预防就显得尤为重要。该文以此为出发点,根据实际隧道施工情况,分析、总结二次衬砌缺陷和病害产生的原因,对缺陷和病害提出综合整治原则及具体整治措施,并研究防治措施,以起到减少或消除隧道二衬缺陷的作用,尤其是杜绝或避免拱顶脱空情况的发生。

1 宜万铁路隧道工程概况

宜万铁路宜昌东至凉雾段设计时速160 km/h,为双线电气化铁路,全线共有隧道134座,总长276 km,其中由我单位负责施工的W6标段共有隧道5座,长11.9 km。隧道工程除明洞采用整体式衬砌外其余暗洞均采用复合式衬砌结构,拱墙初期支护与二次衬砌间设EVA类防水板(加无纺土工布),模筑衬砌环向施工缝采用遇水膨胀橡胶止水带,在二次衬砌背后环向采用直径50 mm的加劲型软式透水盲管,设置间距8~12 m设置;在洞内两侧水沟泄水孔标高处设贯通的内包两条纵向钢筋的Φ100加劲型软式透水管盲沟。隧道工程于2004年初开工,2010年12月22日开通运营。

2 缺陷检测情况

根据中国铁路总公司《关于开展铁路隧道、路基工程质量专项整治的通知》的要求,武汉铁路局于2013年5月至7月对宜万铁路宜昌东至凉雾段所有隧道衬砌结构进行了无损检测并现场调查,发现隧道不同程度的存在二次衬砌厚度不足、衬砌背后空洞或不密实、衬砌产生裂缝、钢架、钢筋间距分布不达设计要求等现象。

3 原因分析

3.1 衬砌背后有空洞、不密实产生的主要原因

(1)局部存在超挖现象,且形成较深的凹坑,在初期支护施工时也未将凹坑进行特殊处理,致使初支面不平顺,防水板挂设后形成一个空腔,因防水板松弛度所限,在混凝土浇筑后形成空洞。

(2)防水板挂设张弛度不适。防水板如果挂设太紧,会造成防水板与初支面之间留下空隙或因混凝土压力太大撑坏防水板;防水板如果挂设太松,在混凝土浇筑过程中会因受挤压形成褶皱,在褶皱之间留下空隙。

(3)混凝土在浇筑过程中振捣不密实,内部存在气孔、空洞等,上部混凝土浇筑完成后在自重作用下下沉,在拱部形成空洞。

(4)拱部混凝土浇筑时,由于泵送压力或浇筑方式等问题,致使拱顶位置浇筑不到位,留下空洞。

(5)端头模板拼接不严实,混凝土浇筑完成后在凝固过程中接缝处出现漏浆、跑浆,使拱部混凝土下落,形成空洞。

(6)混凝土和易性差,出现离析现象,加之振捣不到位,浇筑后的混凝土极易出现不密实的情况;浇筑拱部混凝土时,混凝土塌落度过小,泵送入模的混凝土流动性差,加之振捣不到位,局部将出现混凝土未浇筑到位而留下空洞。

(7)浇筑二衬混凝土时,提前停止混凝土泵送浇筑,且没有进行充分振捣,造成二衬混凝土没有与初期支护密切结合,而在拱部形成空洞。

(8)拆管过早,混凝土掉落形成漏斗。在混凝土浇筑后,现场施工人员急于拆下混凝土输送管,在拆管时,未形成自稳能力的混凝土随输送管掉落下来,形成漏斗,造成衬砌拱部脱空。

(9)衬砌台车底座支撑不牢固,在混凝土浇筑过程中或浇筑后变形下沉,导致衬砌拱部脱空或不密实。在现场施工过程中,台车多采用方木支垫行车轨道,由于衬砌台车附近较潮湿,方木容易腐烂,在混凝土浇筑后方木被压碎引起台车下沉。另外,混凝土浇筑时模板应采用刚性支撑,绝不可用液压杆支撑模板,使用液压杆支撑时由于压力过大可能会使杆件受压收缩,使模板内收或下沉,造成拱部空洞。

(10)拱架背后喷射混凝土不密实,留有空洞,混凝土浇筑后在凝固过程中初喷混凝土受挤压破坏,混凝土进入空洞内,造成拱部混凝土下落而形成空洞。

3.2 二衬厚度不足产生的主要原因

(1)在隧道开挖过程中局部存在欠挖情况。

(2)在复杂地形及较差地质条件下施工隧道,未加强监控量测工作或监控量测工作做得不到位,导致未及时调整预留变形量,造成预留变形量不足,初期支护侵入二次衬砌界限内。

(3)由于初期支护施工后,二次衬砌施工的间隔时间较长,初期支护和围岩的变形较大,从而引起二衬厚度不足。

(4)由于诸多原因引起拱部混凝土与围岩不密贴,留有空隙,导致浇筑的拱部混凝土厚度不足。

3.3 二衬混凝土产生裂缝的主要原因

(1)地基不均匀沉降引起的裂缝。

(2)裂缝出现与部分二衬厚度不足、厚度分布不均有关。

(3)裂缝出现与混凝土质量、混凝土强度、混凝土养护等施工工艺有关。

(4)二衬施工时初期支护的水平收敛和拱顶下沉尚未处于稳定状态。

3.4 钢架、钢筋间距分布达不到设计要求产生的主要原因

(1)在初期支护钢架和二衬钢筋施工过程中,未严格按照设计要求的间距布设钢架和钢筋。

(2)在钢架和钢筋施工过程中,水平位置和垂直度控制较差,间距分布不均匀,局部出现间距分布达不到设计要求。

(3)在复杂地质条件下,安装的钢架和布设的二衬钢筋,由于纵向连接钢筋未焊接牢固,在初支发生较大变形过程中,钢架局部发生了偏移,二衬钢筋在浇捣过程发生了移位,使得钢架和二衬钢筋间距分布达不到设计要求。

4 缺陷及病害等级评定标准

根据相关规范、标准和地质雷达、超声检测及现场调查结果,对照各项评定标准(详见表1、表2、表3),将衬砌缺陷及病害进行量化,确定衬砌缺陷及病害等级(轻微C、较严重B、严重A1、极严重AA),为隧道衬砌缺陷及病害整治提供依据。

5 整治原则

(1)验证并修正检测报告

会同运营公务部门、检测单位等,对检测报告中缺陷段落通过目视、敲击听空音、钻孔等方法进行检查,确认衬砌背后空洞、不密实、二衬厚度不足等缺陷范围,必要时通过取芯、破检、摄影、摄像等方法进行验证;隧道敲击检查要做到不留死角,对不便施作的电化区段吊臂、槽道等检测盲区以及软弱围岩段落要强化敲击检查;二衬渗漏水严重地段还要对水压力进行测试。补充混凝土强度检测,采用回弹等无损检测方法进行,必要时采用钻孔取芯检测;验证后对检测资料进行修正、补充和完善,并对衬砌缺陷进行重新分级,确保检测、检查资料符合现场实际,并据验证后的资料进行整治,考虑到营业线时限问题,整治时按照先难后易、先严重缺陷后轻微缺陷、先拱部后边墙的整治程序进行。

(2)根据营业线有时限要求的实际情况和专家会审意见:对缺陷等级为A级(A1和AA)和有开裂、掉块的B级地段及时整治,其它B级及C级地段加强监测,根据变化情况采取相应措施。

6 整治措施

(1)拱部二衬表面起皮剥落地段的处理措施

对拱部二衬表面起皮剥落的(如施工缝处修补的),通过凿、磨、刮等方法进行清除,以免在列车的长期振动下脱落下掉,危及行车安全。

(2)二衬厚度不足、衬砌背后空洞或不密实地段的处理措施

按照缺陷等级采用监测、锚杆、钢带、回填注浆等措施针对性的进行处理,考虑到二次破坏带来的弊病,尽量减少拆换。具体处理措施如下:

①衬砌监测

对二衬厚度不足缺陷等级为B级(二衬衬砌有效厚度为设计厚度75%以上的;或二次衬砌有效厚度在设计厚度75%~60%之间,连续长度小于5m的),且衬砌表面无裂纹、无渗漏水、衬砌背后无空洞、不密实等叠加缺陷的,采用标识、标记,按照长期观测+监测进行处理。

②回填注浆

对二次衬砌厚度不足缺陷等级为B级(二衬衬砌有效厚度为设计厚度75%以上的;或二次衬砌有效厚度在设计厚度75%~60%之间,连续长度小于5 m的),衬砌表面无裂纹、无渗漏水,但衬砌背后存在空洞、不密实地段,采用回填注浆措施处理,注浆采用纯水泥浆和水泥砂浆。

注浆管采用直径为42 mm的马牙扣形钢花管,钢花管顶端距离空腔顶面不大于2 cm,注浆管在空洞位置每1.5 m设置一个钻孔,每处不少于3个。注浆压力0.1~0.5 MPa,水灰比(重量比)0.6∶1~1∶1,灰砂比1∶1~1∶2.5。

③锚杆加固

当二次衬砌有效厚度在设计厚度75%~60%之间,连续长度大于5 m,但衬砌表面无裂纹、无渗漏水、衬砌背后无空洞等叠加缺陷地段或衬砌表面有开裂、错动、压溃,且裂损病害等级达B级地段,采用R25N自进式中空注浆锚杆对衬砌背后围岩进行注浆,提高衬砌背后围岩的承载能力,从而减轻衬砌背后围岩对二次衬砌的地层压力,有裂纹的应先进行裂纹嵌补。

锚杆的长度及布置间距根据围岩级别及单双线确定。单线隧道:Ⅱ~Ⅲ级围岩时,L=2.5 m,布置间距1.5 m(环向)×1.2 m(纵向);Ⅳ~Ⅴ级围岩时,L=3.5 m,布置间距1.2(环向)×1.2 m(纵向)。双线隧道:Ⅱ~Ⅲ级围岩时,L=3.5 m,布置间距1.5 m(环向)×1.2 m(纵向);Ⅳ~Ⅴ级围岩时,L=4.5 m,布置间距1.2(环向)×1.2 m(纵向)。加固范围应为缺陷或裂损部位并向四周延伸不少于1.5m。

④锚杆+钢带加固

当二次衬砌有效厚度小于设计厚度的60%但不小于15 cm,连续长度小于5 m的,且二次衬砌混凝土强度达到设计要求,外观完好,无开裂、掉块等叠加病害地段,或衬砌表面有开裂、错动、压溃,且裂损病害等级达A1级地段,采用锚杆+钢带进行锚固。

钢带采用W270钢带,钢带纵向间距1.0 m,钢带通过锚杆外露端部的垫板进行固定;锚杆采用R25N自进式中空注浆锚杆,布置间距:1.2 m(环向)×1.0 m(纵向)。锚杆长度根据单双线确定,单线隧道:Ⅱ~Ⅲ级围岩时,L=3.0 m;Ⅳ~Ⅴ级围岩时,L=4.0 m;双线隧道:Ⅱ~Ⅲ级围岩时,L=4.0 m;Ⅳ~Ⅴ级围岩时,L=5.0 m。加固范围为缺陷或裂损部位并向四周延伸不少于1.5 m。

⑤预应力锚杆+钢带加固

当二次衬砌有效厚度小于设计厚度的60%但不小于10 cm,连续长度小于5 m的,且二次衬砌混凝土强度达到设计要求,外观完好,无开裂、掉块等叠加病害地段,或衬砌表面有开裂、错动、压溃,且裂损病害等级达AA级地段,采用预应力锚杆+钢带进行锚固。

纵向钢带采用W270钢带,环向钢带采用250平钢带,钢带环向、纵向间距均为1.0 m,钢带通过锚杆外露端部的垫板进行固定。拱顶40度范围内采用R25N自进式中空注浆锚杆,两侧拱腰采用R25N预应力锚杆和R25N自进式中空注浆锚杆交错布置,布置间距:1.0 m(环向)×1.0 m(纵向),预应力锚杆施加预应力T=60 KN。锚杆长度根据单双线确定,单线隧道:预应力锚杆L=6.0 m,自进式锚杆L=4.0 m;双线隧道:预应力锚杆L=8.0 m,自进式锚杆L=5.0 m。加固范围为缺陷或裂损部位并向四周延伸不少于1.5 m。

⑥凿除、植筋、钢筋混凝土嵌补+锚杆+钢带加固

当二次衬砌有效厚度小于设计厚度的60%,连续长度小于5m地段,经现场验证存在开裂、掉块确实需要凿除重做地段,采用凿除、植筋、钢筋混凝土嵌补+锚杆+钢带加固。

凿除混凝土时,缺口应内宽外窄,形成倒梯形。切口表面应粗糙,但结构应致密,不得留有松散、气泡、裂隙等结构,然后采用钢丝刷清理后用水冲洗,并在施工期间保持壁面洁净。在空洞四周二次衬砌中部环、纵向植入Ф16钢筋,环、纵向间距20 cm,植入深度按30 cm、50 cm交替布置。植筋采用A级锚固剂锚固。浇筑回灌混凝土前,严格按要求做好隧道的防排水系统,对损坏的防水板进行重新修复、焊接,确保防水板与初期支护密贴。浇灌混凝土时通过预留灌料孔灌入C30微膨胀混凝土,并采用插入式振捣器捣固。封口处预埋一根R25N注浆管,待两天后对孔洞部分进行压力注浆。混凝土强度达到C30后拆除防护模板,并对表面打磨处理。

隧道空洞、开裂掉块、采用凿除、植筋、钢筋混凝土嵌补后,需要采用锚杆+钢带进行加固。纵向钢带采用W270钢带,环向钢带采用250平钢带,钢带环向、纵向间距均为0.6 m,钢带通过锚杆外露端部的垫板进行固定。锚杆采用R25N自进式中空注浆锚杆,锚杆长5 m,间距环向×纵向=60 cm×60 cm。加固范围为缺陷或裂损部位并向四周延伸不少于1.5 m。

上述加固所使用的W270钢带:宽270 mm,高25mm,厚5 mm,孔径27 mm,250平钢带宽250 mm,厚5 mm,均为镀锌钢带。钢带通过锚杆外露端部的垫板进行固定,锚垫板采用150 mm(边长)×150 mm(边长)×8 mm(厚度),施工完成后,对锚杆头、垫板、螺栓等外露部分采用环氧富锌防锈漆。锚杆抗拔力不小于50 KN,现场应采用拉拔计对锚杆抗拔力进行抽检,每个施工段抽检率不小于5%,且不少于3根。钢带布置区域有渗漏水的,应先进行整治,确保钢带区域不渗水。

(3)对钢架、钢筋分布间距过大地段的处理措施

①仔细查阅、核对原施工日志、施工小结等竣工资料,确认该段是否存在围岩变更或变更漏报等情况,确保缺陷资料符合现场实际。

②对于原设计为钢筋混凝土衬砌,实测二衬钢筋间距大于35 cm或钢架间距大于设计间距10 cm且连续长度大于5 m段落,采用R25N自进式中空注浆锚杆对衬砌背后围岩进行注浆加固,提高衬砌背后围岩的承载能力。锚杆布置间距:1.2 m(环向)×1.0 m(纵向)。锚杆长度根据单双线确定,单线隧道:Ⅱ~Ⅲ级围岩时,L=3.0 m;Ⅳ~Ⅴ级围岩时,L=4.0 m;双线隧道:Ⅱ~Ⅲ级围岩时,L=4.0 m;Ⅳ~Ⅴ级围岩时,L=5.0 m。加固范围为缺陷或裂损部位并向四周延伸不少于1.5 m。

7 监测方案

观测对象:对所有缺陷段及缺陷整治段均应进行长期观测。观测内容:衬砌裂纹、掉块、变形、渗漏水等病害发生与发展。

监测对象:对二次衬砌厚度不足缺陷等级为B级且衬砌表面无裂纹、无渗漏水、衬砌背后无空洞、不密实等叠加缺陷的,采用长期观测+监测措施。监测内容:衬砌位移的变化,监测断面间距按10 m考虑,不足10 m处布设一处,监测点布置于拱顶、两侧拱腰,不少于3处,监测的同时,还应观测衬砌表面是否有裂纹、掉块、变形、渗漏水等病害发生与发展。

长期监测、观测频率,一般为1次/月,有病害发生与发展的,应加大频率。每次观测、监测的成果应予以记录与保存,同时应定期评估观测数据,评价结构安全性,根据评价结果调整观测频率及处理措施。

8 整治处理效果评价

宜万铁路W6标段沙坪隧道和红瓦屋隧道共有9处A级缺陷,其中红瓦屋隧道5处,处理措施均为回填注浆;沙坪隧道4处,其中1处锚杆加固,2处锚杆+钢带加固,1处凿除、植筋、钢筋混凝土嵌补+锚杆+钢带加固。以上两个隧道的缺陷及病害整治处理于2013年11月9日开始,11月25日完成。

通过加固处理后二衬变形得到控制,采用R25N自进式中空注浆锚杆对衬砌背后围岩进行注浆,有效地提高了衬砌背后围岩的承载能力。注浆回填、锚杆钢带加固使得二衬形成整体,外观平顺,未侵入建筑界限。施工结束后连续观测了4个多月,发现隧道二衬全部正常,至今未发现新的病害,说明隧道已处于稳定状态,缺陷和病害已得到成功解决,原本大幅限速地段的列车也早已恢复了正常速度的通行。图5~8是加固处理后的效果展示。

9 防治措施

9.1 严格控制超欠挖和规范防水板挂设

(1)防水板挂设前应先对初期支护喷射混凝土进行检测,欠挖部位应先加以凿除,对喷射混凝土表面凹凸显著部位应分层喷射找平。外露的锚杆头及钢筋网头应齐根切除,并用水泥砂浆抹平,使混凝土表面平顺。

(2)防水板挂设完成后用手托起防水板看其是否能与初支密贴,且没有太多余量,一般防水板长度为初支面长度的1.2~1.5倍。防水板挂设时焊接点数量和间距要满足设计要求,保证拱部防水板挂设稳固,防止防水板因挂设不稳在混凝土浇筑过程中掉落后压入两侧混凝土,造成拱部空洞。

9.2 加强混凝土浇筑过程的控制

(1)在浇筑拱部时适当调整混凝土的水灰比或采用适量的膨胀混凝土,减小混凝土的干缩徐变,同时严格控制混凝土的搅拌时间和外加剂的参入量,提高混凝土的和易性和流动性。浇筑过程中振捣密实,尽量排除在混凝土浇筑时被挤压到拱部的空气。

(2)在拱部混凝土浇筑时,将泵送管深入模板外接近拱顶的部位,使拱部混凝土由上向下浇筑。混凝土泵送管选择在台车标高较高的一端入模。混凝土浇筑到拱部时设置观察孔,安排技术员或质检员值班观察浇筑情况,确保拱部混凝土填筑饱满。

(3)拱部堵头板安装时注意接缝密贴,可采用双面胶等措施,保证混凝土浇筑后不漏浆,不跑浆。

(4)混凝土浇筑时,安排专人现场值班。值班人员要恪尽职守、认真负责、经验丰富。混凝土浇筑完成后要求施工人员不要急于拆下输送管,须待混凝土有一定自稳能力后再拆,在拆下同时,迅速关闭窗口,以免混凝土掉落。

9.3 衬砌台车支撑稳固,并定期检修

做好二衬台车附近的文明施工,防止支垫方木长期被水浸泡。现场管理人员要定期检查方木受压能力,防止混凝土浇筑后被压碎引起台车下沉。衬砌台车在使用过程中要定期检查、维护,防止台车屈服变形。

9.4 其余应注意的事项

(1)二衬防水板挂设施工前要先检查初期支护背后是否存在空洞或喷砼不密实的情况,若发现有空洞或不密实等情况存在应安排注浆充实。

(2)初期支护钢架安装过程中要严格控制钢架间距和垂直度等,认真检查钢架纵向连接钢筋焊接是否可靠,纵向连接钢筋的间距是否满足设计及规范要求,钢架是否与锚杆、锁脚锚管等可靠焊接牢固。

(3)二衬钢筋施工时,首先对钢筋位置按照设计要求的间距进行定位,然后严格按确定位置将钢筋焊接或绑扎牢固,并合理预留钢筋保护层厚度。在衬砌台车就位前对二衬钢筋进行认真的检查,对钢筋间距、焊接质量、绑扎质量不符合要求的必须进行调整或返工处理。

(4)二衬混凝土施工完成一定里程后(以300~500 m为宜),可采用地质雷达等无损检测设备检查混凝土背后脱空情况,并根据检测报告对空洞进行注浆处理。

(5)加强对初期支护拱顶下沉和水平收敛的监测,为二次衬砌施作提供最佳时机,二次衬砌施作时初期支护的水平收敛和拱顶下沉要基本处于稳定状态。

10 结语

通过对隧道二次衬砌缺陷产生原因分析,施工工艺与施工管理对隧道初期支护及二衬缺陷起决定性作用。二衬背后脱空和局部二衬厚度不足是目前隧道施工普遍存在的质量问题,其严重影响了隧道的二衬混凝土受力性能,造成了安全、质量隐患。开挖断面时严禁欠挖,严格控制超挖量,浇筑二衬混凝土时按照设计与规范要求预留注浆孔和注浆管,待二衬混凝土施工完成一定里程后(以300~500 m为宜),采用无损检测检查混凝土背后脱空情况,并根据检测报告对空洞进行注浆处理。

参考文献

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