隧道衬砌粘贴W钢带加固方案设计及施工技术要点

赵铭伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

隧道工程作为地下隐蔽的工程，具有很多方面的难度，如危险因素多、施工条件限制、地质复杂多变、施工环境差和不可预见性强等，故隧道工程的安全性和技术难度都较大。常见的隧道病害有洞口病害、隧道排水系统不畅、衬砌裂缝和渗水以及隧道路面病害等[1-3]。隧道施工过程中，衬砌阶段显得尤为重要，隧道常见的事故发生原因调查中很大程度上都是由于衬砌设计不合理或者施工不规范造成的，施工不当对围岩扰动较大，更容易造成坍塌等严重后果[4]。

1 工程概况

洛栾高速全长129.226 km，于2012年年底通车，设计速度为80 km/h，在K83+480标段处存在一隧道，该隧道采用复合式衬砌结构，且按照新奥法原理进行设计施工。据原始数据显示，该隧道衬砌结构设计主要以锚、喷、网联合支护为初期支护，二次支护措施采用模筑混凝土，二次衬砌采用C30素混凝土及C35（C30）钢筋混凝土结构。结合2015年隧道定期检测和踏勘结果，发现隧道存在数量较多的常规病害。具体来讲，该隧道存在很多环向、纵向、斜向裂缝。其中左洞共有裂缝80条，裂缝在距进口100～200 m、400～500 m、700～800 m 段发育较集中，裂缝总长为428.8 m。其中环向裂缝50条，裂缝总长为258.1 m，单条裂缝最长为21 m，裂缝最宽为10 mm；纵向裂缝23条，裂缝总长为137.2 m，单条裂缝最长为12 m，裂缝最宽的地方长度为10 mm；而斜向裂缝一共有7条，其裂缝总长达到33.5 m，单条裂缝最长为8 m，裂缝最宽为1.2 mm。而在右洞共有裂缝121条，距进口0～300 m和400～700 m段裂缝的发育较为集中，裂缝总长为718.2 m。其中环向裂缝66条，裂缝总长为384.3 m，单条裂缝最长为21 m，裂缝最宽为2 mm；纵向裂缝25条，裂缝总长为208.5 m，单条裂缝最长为21 m，裂缝最宽为2 mm；斜向裂缝总长为125.4 m，共有30条，其中裂缝最宽的地方高达1.6 mm，最长的单条裂缝长为12 m。综上检查结果，这些病害暂时不会对结构安全有很严重的影响，但是一定程度上会影响结构的耐久性和安全性。为了保证高速公路桥梁与隧道安全运营，保证高速公路隧道的可靠性和耐久性，同时延长隧道的使用寿命，相关部门拟采用适合的加固衬砌方案进行处理，主要从隧道病害原因分析、加固方案设计、施工工艺和施工质量控制等方面进行研究分析，以期对隧道衬砌加固相关问题起到一定借鉴作用和参考价值。

2 隧道衬砌结构病害原因分析

从病害调查结果可以看出，隧道衬砌的裂缝较为严重，要相对其进行有效的加固处理并选择合理的加固方案，需要对其病害产生原因进行针对性分析，以期得到最佳的处理方案。据调查结果和原因分析，病害引起的主要是衬砌裂缝病害[5]，相应产生的原因分析如下：

a）局部段落衬砌厚度可能不足，或衬砌强度不足，承载能力下降，导致拱部纵向开裂。

b）衬砌厚度不均匀，且局部段落存在明显的脱空、空洞、不密实等缺陷，导致衬砌受力不均，产生应力集中而开裂。

c）边墙或隧底施工不规范，导致拱脚位置基础稳定性差，边墙应力集中产生纵向、斜向裂缝。

d）在施工过程中，其质量控制不够精确和严格，尤其是混凝土的养护问题，常常养护不到位会产生环向裂缝。

e）隧道防排水设施不完善，排水能力弱，导致衬砌背后积水，衬砌结构承受较高水压。同时衬砌会出现渗水现象，衬砌防水板存在不完整或搭接不良等缺陷；衬砌背后可能存在不密实区及空洞，易形成地下水汇集区。

3 加固方案设计

在采用加固方案设计的时候，对于衬砌加固采用的方案要具有较强可操作性，且与施工条件、施工材料及工艺密切联系，衬砌加固补强要能够尽可能地保持原来结构的完整性。综合该工程病害调查结果和原因分析以及相关规范要求，综合业主单位、施工单位、设计单位相关专家和负责人的意见，最终决定采用粘贴钢板（带）的方法对隧道衬砌进行加固。

3.1 W钢带处治设计

衬砌的混凝土等级为C30，二次衬砌的厚度为25 cm。结合采用的处治设计要求、施工具体情况以及规范《矿用 W 型钢带》（MT/T861—2000）[6]，最终确定钢带的厚度为5 mm，宽度为25 cm，单片钢带有效截面积A=1 500 mm2，截面高度为25.5 mm，每环纵向间距100 cm。

在衬砌及钢带表面涂刷胶黏剂，使衬砌与钢带黏结为一体，再采用锚栓进行固定钢带。锚栓采用M16化学锚固螺栓，植入深度不小于16 cm。黏钢胶抗冲击剥离长度小于20 mm，快速湿热老化时间为10 d，检验经快速湿热老化后的试件在常温条件下钢-钢拉伸抗剪强度降低百分率不得大于8%。黏钢胶应具备有资质机构认证的冻融循环报告，环保无毒报告。图1为W钢带加固设计立面图，其中A处的放大图见图2所示。表1为粘贴钢带（板）用胶黏剂基本性能指标；表2为锚固用胶黏剂主要性能指标。

图1 W钢带加固立面图（比例：1∶100）

图 2 A 部大样图（比例：1∶10）

表1 粘贴钢带（板）用胶黏剂基本性能指标

表2 锚固用胶黏剂主要性能指标

3.2 处治后衬砌表面涂装设计

为改善修复后隧道衬砌结构表面外观，并消除因衬砌病害处治给人们造成的心理压力，在对隧道衬砌病害进行处治后，应及时对处治位置衬砌表面进行美化。同时考虑到对处治效果的加固、封闭和补强作用，应采用聚合物改性水泥砂浆进行表面涂装，使用前应先进行现场试验[7]，要求涂装后衬砌病害处治位置表面与周围衬砌表面不出现明显色差，涂装范围如下：

a）对衬砌裂缝，涂装宽度取裂缝两侧各 10 cm，长度与裂缝同长。

b）对衬砌渗漏水，涂装范围比病害处治范围每边扩大15 cm。

c）对衬砌W钢带加固，涂装范围为衬砌全断面，纵向涂装长度与加固长度一致。

d）对衬砌钢板加固，环向涂装范围取3.5 m。

聚合物改性水泥砂浆（如改性环氧类等）在应用前应确认有成功的类似工程使用经验，并进行现场试验，选择满足施工要求的水泥砂浆。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应用，前者会加速钢筋的锈蚀，而后者会严重影响耐久性，同时这些液体也对人体有危害。

4 粘贴W钢带施工工艺

粘贴W钢带是加固效果影响的关键环节，主要包括基面的处理、W钢带制作以及粘贴W钢带3个方面。

4.1 基面处理

a）在粘贴钢带位置进行基面处理，基面应保证平整圆顺，平整度不大于1.5 mm/m。清除衬砌表面范围应满足钢带固定范围。

b）将混凝土表面清理干净并保持干燥。

c）钻制锚栓预留孔。

4.2 W钢带制作

a）在钢带黏结面需要进行打磨，为了保持钢带黏结面具有一定的粗糙度，采用除锈机或喷砂沿着与钢带受力垂直的方向进行打磨，直到表面露出金属的光泽为止；用脱脂棉沾丙酮将钢带表面擦拭干净。

b）依据现场植埋的锚栓位置、间距，对固定的钢带进行配套打孔。

c）钢带外露面涂刷防腐底漆3道。

4.3 粘贴W钢带

4.3.1 粘贴W钢带工艺流程

钻孔植埋全螺纹锚栓→配制结构胶→衬砌表面及钢带涂刷胶黏剂→安装W钢带→封边→钢带表面防腐处理。

4.3.2 粘贴钢带的施工要点

a）钻孔植埋锚栓。

（a）依照设计图纸的要求，放出需钻孔的位置。

（b）应采用与锚栓直径配套的钻头进行钻孔。

（c）在钻孔过程中要保持干燥，同时应该清理得非常干净，不能出现油污。

（d）植锚栓的施工按照中华人民共和国国家标准《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367—2013）[8]的相关规定执行。

b）配制结构胶 按照供应商提供的产品说明书要求配制结构胶，在制备时搅拌要均匀，采用低速的搅拌器即可，同时在适用期内将结构胶使用完。按照《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367—2013）[8]的要求，采用的胶黏剂应该在耐久性和力学指标方面满足规定的要求。

c）涂刷胶黏剂 涂刷胶黏剂前应对衬砌表面进行基面处理，保证粘贴面坚实干燥，对表面缺损处及不平整处采用改性环氧砂浆进行找平处理。基面处理完成后，在衬砌表面及钢带均匀地涂刷胶黏剂，胶黏剂的胶层应有足够的厚度。

d）安装钢带 将钢带固定在锚栓上，通过锚栓将钢板刷胶面密贴在已涂刷胶黏剂的基面上，钢板与衬砌应密贴，应避免局部脱空。钢带分段处采用平口焊接连接，再用长60 cm的W接头钢带进行搭接，接头钢带与原加固W钢带之间用锚栓固定，并用黏钢胶黏结。

e）钢带表面防腐处理 在清除存在于钢带表面的污垢之前，需要检查钢带粘贴固化密实效果，确认其可靠后进行下一步。对安装过程中造成的底漆破损进行补漆，再在钢带外露面涂刷面漆4道。

f）处治进行钢带分段时，钢带连接采用平口焊接，再用长60 cm的W接头钢带进行搭接，接头钢带与原加固W钢带之间用锚栓固定，并用黏钢胶黏结。

5 施工质量控制要点

5.1 质量控制

钢带（板）外观平整、圆顺，胶体应固化，锚固应牢靠。钢板尺寸、厚度、防腐处理，锚栓间距应满足设计要求，胶层应均匀，无局部过厚、过薄现象。除此之外，粘贴钢带（板）加固施工质量控制应符合表3所示的要求[9]。

表3 粘贴钢带（板）加固施工质量控制

5.2 注意事项

在整个治理期间及实施完成后，均应进行适当结构状况观测工作，通过观测裂缝、渗漏水、衬砌剥落等特征变化，及时反馈信息以修正设计和采取应急措施，保证结构安全。需要着重关注以下几点施工注意事项：

a）由于衬砌裂缝的产生与排水也有很大的关系，故在所有施工过程之前，需要对隧道端洞顶破损或下陷的病害进行处理，解决由于洞顶排水沟的“中间低、两头高”而产生的排水不畅问题。必要的情况下，需要对端口顶端排水沟进行全部拆除和重新建造以达到有效排水的目的，具体注意以下几点。

（a）拆除现有洞顶排水沟，开挖回填层，并按1∶0.5进行放坡，满足新建洞顶排水沟设置要求。

（b）对排水沟基底进行人工夯实，且表层压实度不小于92%。

（c）在原位紧挨洞门墙处新建M7.5浆砌片石排水沟。

（d）用黏土分层回填排水沟与开挖轮廓线之间的空隙，要求每层回填厚度不大于25 cm、压实度不低于92%，施工后应保证洞顶回填纵坡为1∶10，确保坡面水能顺畅流入洞顶排水沟。

b）为了提高黏结胶黏合固化效果，针对隧道内二次衬砌露筋病害进行处治时，先进行基面处理后用聚合物水泥砂浆封闭衬砌露筋处及其周边5 cm范围衬砌。

c）胶黏剂储存与使用过程中应按材料使用说明，做好防火措施，禁止使用明火或携带火种接近。

d）为了提高黏结效果，应及时将黏钢混凝土表面清理干净，并在钢带抹胶表面进行无污染和无粉尘的清理，露出混凝土表面。钢带（板）是根据隧道内轮廓标准断面设计，实际断面与标准断面有差异时，结合现场情况调整。

e）施工过程应精细施工，加强对衬砌结构的观察，如有异常及时查明原因才可继续施工，避免对衬砌造成损伤。值得注意的是，在采用植筋方式时，不能够将胶黏剂直接涂抹在钢筋上。

6 结论

为了保证高速公路桥梁与隧道安全运营，保证高速公路隧道的可靠性和耐久性，延长隧道的使用寿命，相关部门拟采用适合的加固衬砌方案进行处理，主要从隧道病害原因分析、加固方案设计、施工工艺和施工质量控制等方面进行研究分析，以期为隧道衬砌加固相关问题起到一定借鉴作用和参考价值。