既有隧道维修加固措施研究

孙 齐

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)



既有隧道维修加固措施研究

孙 齐

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

随着隧道行业的不断发展，新建隧道的数量逐渐增多，隧道维修管理的体系日臻完善。由于设计、施工和地应力的影响，隧道在使用一段时间后会出现多种病害，如剥蚀、掉块、张裂、压溃、错台、漏水等，这是对既有隧道进行维修加固时值得思考的问题。

隧道； 病害； 维修； 加固

随着隧道工程的不断发展与成熟，维修加固已逐渐进入各国重点研究的范畴。在法国和德国等隧道较多的国家，采用地质雷达、红外线测试和光谱分析试验等无损伤检测技术对隧道衬砌进行检查已经引起了隧道工作者的兴趣。德国提出了隧道设计是综合设计的概念，重视隧道初期支护喷射混凝土，重视钢拱和钢筋格栅支撑，强调锚杆的选择和布设对围岩变形的控制；同时开展了强化初期支护而不做二次衬砌的可行性及采用经济的检测手段控制隧道结构工程质量和安全性研究[1]。日本在近年组织进行了多项有关公路隧道长期安全性评价和维护加固对策的专题研究，在此基础上形成的《公路隧道维护管理便览》，对高速公路隧道的安全性评价和管理维护加固提供了重要的指导作用[2]。目前我国隧道病害治理方法落后，对于铁路隧道有着一定的探索和经验，但对于公路隧道的整治还停留在比较低的水平，不仅相对国外隧道工程的病害整治是比较落后的，就是与国内其它工程的病害整治相比也是比较落后的。

1 既有隧道维修加固的研究方法

目前对既有隧道维修加固的研究主要有以下几种。

1.1 理论和经验研究

巴顿根据约200座欧洲隧道资料为基础进行统计分析，提出了围岩分类和相应支护结构的建议[3]。日本在大量分析隧道病害的基础上，提出了隧道病害的典型形式，并对隧道病害进行了分级，整理出了《隧道变异对策设计手册》、《隧道维修管理手册》等，为隧道病害的分类及治理提供了大量有益的参考。

在国内，关宝树的《隧道维修管理要点集》，介绍了国外隧道维护加固的经验，对国内隧道的维护加固有很好的借鉴作用。

1.2 模型试验

模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，它的理论基础是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，并且具有能够满足用其他方法不能满足的条件的优点。模型试验分析对工程技术人员将成为一种不可缺少的工具[4]。国内外利用模型试验进行结构研究的实例很多。如西南交通大学土木工程学院隧道与地下工程系进行了浙江金丽温连拱公路隧道综合修建技术研究的模型试验、铁山坪隧道模型试验、双洞小净距隧道设计施工关键技术研究模型试验等。

1.3 计算机模拟

随着计算机技术的迅速发展，它在隧道与地下工程中的应用也越来越广泛，各种数值模拟方法也进入了实用阶段：如有限单元法(FME)、有限差分法(FDM)、边界元法(BEM)、离散单元法(DME)、流形元法(MEM)以及无单元法(Element-Free method)等相继出现，并且在科学研究和工程应用领域里发挥着重要的作用。

1.4 现场试验

现场试验是隧道与地下工程研究领域中一种很好的研究方法，通过安装使用不同类型的量测仪器，所测量到的数据通常具有能更真实、全面、及时地反映实际工程问题的优点，它不仅为理论研究提供了基本的依据，而且可以直接指导实际工程。现在国内外的许多大型、新型或特殊结构工程都积极采用现场试验的方法进行研究。

鉴于隧道与地下工程的受力特点及其复杂性，自20世纪50年代以来，国际上就开始通过对地下工程的量测来监视围岩和支护的稳定性，并逐渐应用现场量测结果来校正和修改设计。现场试验的内容主要包括以下项目：(1)现场观测，包括维修加固处的围岩稳定性，围岩构造情况，支护变形与稳定情况及校核设计时采用的围岩分类；(2)岩体力学参数测试，包括抗压强度，变形模量，粘聚力，内摩擦力及泊松比；(3)应力应变测试，包括支护结构的应力、应变及围岩与支护和各种支护间的接触应力；(4)压力测试，包括衬砌上的围岩压力和渗水压力等；(5)位移测试，包括围岩位移，地表沉降，支护结构位移及围岩与支护倾斜度；(6)温度测试，包括岩体温度，洞内温度及气温；(7)物理探测，包括弹性波测试和电阻率测试等。根据不同的研究目的，可选择不同的测试项目。

2 隧道病害的主要加固对策探讨

隧道病害最终反映到二次衬砌上，使二次衬砌发生裂损或破坏。衬砌裂损的维护指怎样防止未裂混凝土发生裂损；衬砌加固指怎样控制裂损部位的增加、范围的扩大及其危害程度的加剧。整治衬砌裂损病害首先要消灭已有衬砌裂损带来的对结构及运营的一切危害，并防止衬砌裂损的加大，其次采取稳固围岩为主，稳固围岩与加固衬砌相结合的综合治理措施。

衬砌病害的加固方法有很多，但有的受到净空限制、有的受到运营条件限，因此在不同阶段、不同隧道、不同地质条件、不同的病害形式、不同应力场采取的加固方法都是不同的。对不同的衬砌病害的治理、维护加固应该遵循图1所示流程。

图1 隧道病害维护加固流程

隧道维护加固对策主要有嵌缝加固、局部断面加固、喷射混凝土、回填压注、锚杆加固、拱架加固、内表面加固、内衬等。

2.1 嵌缝加固

衬砌出现少量裂缝，裂缝的宽度、深度都不大，不影响衬砌结构的完整性且裂缝发展基本稳定时，采用高强度砂浆对裂缝进行维护加固。沿裂缝延伸范围凿成楔形槽，槽宽不小于5cm，深度接近裂缝宽度，并且把槽做成外窄内宽，用水冲洗干净后，用高强度水泥浆、膨胀性水泥浆、环氧树脂砂浆或者环氧树脂混凝土嵌补。

2.2 局部断面加固

在凿落处及衬砌断面缺损部分应该修复断面。作为剥落，凿落等局部较小范围的修补可用掺有高分子材料(环氧树脂)的砂浆进行充填，涂抹。但是对于较大断面的修补可以采用金属网、锚栓、钢板、纤维板修复，使修复材料和既有有效衬砌一体化

2.3 回填压注

回填注浆后，衬砌背后的空洞被填补，破碎围岩得以胶结，增大了岩体之间的摩擦力，围岩与衬砌密贴，改善了受力状态，从而使衬砌背后围岩形成一个支撑环防止了二次衬砌的进一步开裂和变形。因此回填压注常常作为治理此类病害的基本对策。

在进行回填压注时掌握衬砌背后空洞的有无及其大小是非常重要的。因此要充分调查地质、涌水状况、围岩崩落地点的施工记录等。作为事前调查应该尽可能地收集既有资料和进行现场调查，特别要很好掌握竣工图与现场对比的实际情况。对衬砌的病害状态、可能的空洞大小、涌水状况等进行评估，据此进行经济合理的回填压注设计。在特殊条件下若隧道涌水为饮用水时，应仔细调查和评估回填压注对环境(地下水系)的影响，慎重决策。

但是即使衬砌背后存在空洞也有不适宜采用回填压注的场合，主要有以下几种情况：

(1)涌水量大，压注浆液困难；

(2)衬砌材质不良，因压注压力可能引起隧道病害；

(3)衬砌开裂或断面缺陷显著，压注材料有可能流入隧道；

(4)衬砌背后压注可能堵塞排水，有可能诱发其它隧道病害。

2.4 锚杆加固

在隧道病害治理中，喷混凝土和锚杆常常一起使用，以维护加固隧道。锚杆加固对隧道壁面向净空侧的变形具有内压效果。采用锚杆加固能够控制因塑性地压和偏压造成的病害发展，在衬砌出现裂缝时也可防止衬砌掉块。在膨胀性围岩有很大地压的场合，可用灌浆锚索代替锚杆。但是要想获得理想的锚固效果必须能使锚杆与周边围岩确实地锚固。因此在决定采用锚杆加固之前要对围岩进行调查，主要应该调查隧道周边地质状况、涌水状况、限界富裕、衬砌状况、施工条件等。锚杆加固原则上应该导入预应力。锚杆加固范围应该考虑地形、地质状况，病害的原因(地压的方向)、病害现象(病害程度)、隧道断面形状、隧道构造等因素确定。在病害不严重的情况下，垂直地压是主要的场合，仅在拱部；侧压是主要的场合，仅在侧壁。当病害较严重时，不管地压的方向，以侧壁拱部全范围为对象；在底部有显著底鼓的场合，也要在底部采取措施。

2.5 喷混凝土加固

对于裂缝较多，但是裂缝深度较浅，裂缝发展缓慢的局部破损，可以采用喷射混凝土的方法对裂缝进行加固。喷射混凝土可以使已裂损的块体紧密结合，阻止这些块体的进一步松动，同时在喷射压力作用下嵌入裂缝内一定深度，使裂缝粘结闭合，增强了原有裂损衬砌的整体性，大幅度提高了裂损衬砌的承载能力，达到加固的目的。当裂损严重时喷混凝土常与钢筋网、预应力锚杆(锚索)结合使用。在喷层中加入钢筋网可防止收缩裂纹，提高加固结构的整体性和抗震、抗冲切能力。具体方法把有裂缝的二衬凿去一定深度，并且凿毛表面，用压力水冲洗，打入膨胀螺栓，布设钢筋网，喷射混凝土。此外，预应力锚杆或锚索的悬挂、减跨、组合梁和挤压作用可以有效地改善围岩和衬砌的受力状态，使之趋于稳定。锚杆(包括锚索，一般加预应力)、喷层以及喷层内的钢筋网三者优势互补，对增加裂损衬砌的刚度、稳定性，提高结构承载力的效果显著。

当衬砌裂损很严重需要凿除二次衬砌进行加固时，常用含有速凝剂的喷射混凝土，它可在喷射后2～10 min内凝固，及时向围岩提供支护抗力(径向力)，使凿除二次衬砌后的围岩表层岩体由二向应力状态转变为三向应力状态，改善围岩的受力状态。凿除二衬前应该充分调查研究，防止在凿除二衬的过程中隧道发生突然坍塌的重大事故。

2.6 拱架加固

拱架加固一般与内衬同时使用，计划时应充分调查病害现象、限界富余、衬砌状况及施工条件。拱架加固除有抵抗地压的作用外，还有防止衬砌劣化剥落作用，同时衬砌限界富余量小的情况与内衬，金属网，喷射混凝土配合使用。拱架加固的设计中要根据病害的程度、限界富余、隧道断面形状、尺寸等合理地设计材料、尺寸、间距、对策范围和底脚、接头等细节部位。加固拱架的材料应具有足够的刚性，延伸度要大，弯曲和焊接施工性要好。一般采用具有合适刚度的型钢(如H型钢)。加固拱架原则上在断面方向应从边墙底部到拱部沿隧道全周采用，从加固效果看，全周设置最好，如经充分论证只在拱部设置，则要采取措施使拱架和既有衬砌成为一体。

2.7 内衬加固

内衬原则上采用钢纤维混凝土(SFRC)。钢纤维混凝土是一种新型复合建筑材料。普通混凝土本身具有微裂缝，抗拉、抗扭、阻裂性能较差，而钢纤维混凝土有优良的抗拉、抗压、抗弯、抗剪、抗裂、阻裂、耐冲击、抗疲劳、高韧性等性能。在地下工程破损严重时，可以使用混凝土破碎剂凿除二衬，采用格栅或钢轨拱架临时支护，防止塌陷、掉块，随即采用直径15～25 mm，直径0.3～0.5 mm，长径比30～60，体积率0.6 %～2 %的喷射钢纤维混凝土替换原有二衬。当钢纤维混凝土厚度达到100 mm以上时，应与钢筋或型钢拱架并用。钢纤维混凝土有良好的抗拉、抗弯、抗剪、抗裂、阻裂性能，并且采用喷射工艺时，具有施工快捷，结构安全可靠、对运营影响小等优点。受隧道变形的影响和隧道本身的净空断面限制，内衬的厚度都比较小(150 mm以下)，同时因作业空间狭小，若采用混凝土结构时，常常不能够确保保护层的厚度，采用钢纤维混凝土可减薄内衬厚度，也可达到维护加固的效果。此外运用钢纤维混凝土加固隧道对于衬砌劣化、涌水及冻害都是一种有效的手段。隧道加固衬砌要承受较大的轴力，因此为了支持轴力应在内衬的底脚设置基础，有仰拱的情况可通过仰拱传递断面力。当内衬厚度较大时应与拱架加固结合使用。

3 结束语

隧道维修加固有很多手段，包括前面提及的嵌缝加固、局部断面加固、喷射混凝土、回填压注、锚杆加固、拱架加固、内表面加固、内衬补强等，而每一种加固方案都有其独特的适用性，分析每一种加固方案时，应综合考虑线路的埋深、走向、隧道的病害情况(掉块、剥蚀程度、空洞塌陷情况等)，经过经济遴选确定最佳方案。加固方案一旦确定，就要针对该加固方案，进行计算分析，确定在满足已有隧道耐久性和安全性的情况下的参数。

[1] J.A. Richards. Inspection, Maintenance and Repair of Tunnels: International Lessons and Practice[J]. Tunneling and Underground Space Technology， 1998, 13(4): 369-375.

[2] Lu C，Jin W，Liu R.Reinforcement corrosion-inducedcover cracking and its time prediction for reinforced concrete structures[J].Corrosion Science，2011，53(4):1337-1347.

[3] Toshihiro Asakura, Yoshiyuki Kojima. Tunnel maintenance in Japan. Tunneling and Underground Space Technology, 2003, 18:161-169.

[4] 王振信.盾构法隧道的耐久性[J]. 地下工程与隧道，2002(2)：2-5.

[5] 西南交通大学编. 铁路隧道可靠度研究文集[G]. 西南交通大学,1991.

[6] 张伟平，顾祥林，金贤玉.混凝土中钢筋锈蚀机理及锈蚀钢筋力学性能研究[J].建筑结构学报，2010，56(1)：327-332.

[7] 李志业,肖中平. 地下结构设计原理与方法[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 1999.

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孙齐(1991～)，男，硕士研究生，从事隧道安全性评估与维护研究。

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[定稿日期]2017-03-10