秦山隧道病害分析与加固研究

【摘要】秦山隧道作为秦山第二核电厂的交通主干道，自1994年左右开始投入使用至今已经20多年，隧道结构及装饰等经过全面检查分析，存在诸多病害。本文针对秦山隧道现存病害进行原因分析，制定了切实可行的维修与加固方案，并严格实施维修加固与环境整治，确保了隧道的安全稳定运行。

【关键词】隧道；维修；加固

由受诸多因素干涉，比如水害，冻害，不良地质及衬砌材料侵蚀、设计建造时间较为久远等，从而导致很多不良现象产生，秦山隧道衬砌混凝土外观不断出现开裂、变形、剥落、掉块等，且衬砌的有效厚度也在不断减小，以至于衬砌结构的承载能力，使用寿命不断降低，经采用地质雷达等先进检测评估手段全面评估隧道结构等总体技术状况情况，最终判定为4类隧道，存在不同程度的裂缝、空鼓、防水、防火等问题，严重影响交通通行安全。因此，有必要对秦山隧道存在的病害及环境问题进行全面分析、维修与加固。

1、秦山隧道概况

秦山隧道主要承担着秦山第二核电厂在施工、安装期内各种建筑材料、设备、机具及超大型设备的运输及运行后核电站的材料、设备等各种物料的运输功能。整个隧道全长一共963.72米，0～30米的开挖断面，11.2米的宽，9.05米的中心高；与10.8米的宽落后30米段，8.85米的高。除此以外，圆拱直墙式是隧道的断面型式，复合式衬砌被其采用，防水板未设置于初期支护与二次衬砌间，钢筋混凝土结构设计强度为C20，素混凝土设计强度为C15。

2、隧道病害情况

根据2015年最近的检测评估报告，隧道结构技术状况评定为4类，即严重破损。由于隧道自身有着严重破坏，以至于行人，行车安全已深受其影响，如若想改变现状，则必须将结构病害措施以及交通管制迅速实施。

（1）通过现场的外观，检查结合秦山隧道衬砌混凝土结构裂缝检测报告显示，隧道结构存在多处衬砌开裂现象，最大裂缝宽度超过2mm，裂缝宽度大于0.4mm基本判定为贯穿裂缝，局部裂缝呈网状分布，造成衬砌结构完整性较差，结构安全风险较大。

图1 秦山隧道局部衬砌密集开裂（摘自裂缝展布图）

（2）裂缝处及部分施工缝处存在较为严重的渗水现象，主要表现为衬砌施工缝带状渗水及裂缝渗水；侧墙装饰面层及拱顶砂浆层存在与衬砌脱空现象，有掉落风险，影响正常使用与行人行车安全。

（3）素混凝土 C15，鋼筋混凝土 C20为原设计混凝土的强度等级，由调查结果可知，较大的混凝土离散性出现在各断面之中，且一经修整，混凝土的推定强度均不小于C20，混凝土并未出现强度降低现象，材料亦未发生劣化。在衬砌混凝土中，9毫米的最大深度仍低于钢筋的保护层厚度。

（4）在一定范围内，隧道衬砌的钢筋配置情况，比如钢筋的数量，直径，间距，以及保护层厚度等等，均可以通过钢筋扫雷雷达进行抽检，且一经检测可以得知，符合有关规范设计的基本要求。

（5）由相关数据检测可以得知，在衬砌混凝土钢筋中，经被测的截面钢筋锈蚀电位普遍不大于-200mV，由诸多评判标准可以得知，有较低的锈蚀概率，大概为5%，基本上可以定为有不确定的锈蚀活动性或者根本没有锈蚀活动。

（6）由电阻率测试结果可以得知，大体上衬砌混凝土有着较低的锈蚀速率， 50～100 kΩcm是其普遍电阻率。

（7）由直墙装饰面的变形检测可以得知，对衬砌混凝土内部结构并无明显变形，或其变形几乎可以忽略。

（8）诸多缺陷仍存在于该隧道区域内，比如脱空，孔洞等等，以至于隧道衬砌开裂破损等现象仍旧时常发生，应对缺陷部位进行相应技术处理。

3、病害原因分析

通过对2015年秦山隧道结构检测评估报告和裂缝检测报告分析，结合隧道地勘、施工资料，隧道病害产生原因分析如下：

3.1有关衬砌的环向、斜向、纵向裂缝

1）隧道建成时间早，当时施工水平有限，二次衬砌混凝土拆模过早，养护不足，承受围岩荷载时强度不足产生环向、斜向裂缝。

2）隧道地质条件较复杂，共计13处受断层影响，衬砌背后围岩松动荷载随时间逐渐增大，易在二衬结构薄弱处尤其在拱顶位置发生纵向开裂。

3）二次衬砌与初期支护之间存在空洞、脱空、不密实现象，结构受力时常不均，以至于应力集中现象时常发生，纵向、斜向裂缝不断形成。

4）隧道边墙下方基础施工期间湿软不坚实，衬砌产生不均匀沉降，形成环、斜向裂缝。

3.2衬砌不密实、空鼓

1）衬砌施工控制不规范，混凝土振捣不足导致衬砌混凝土不密实。

2）道由于隧道开挖过多，从而需要回填，但回填极不密实，所以致使空洞、脱空现象普遍存在于衬砌背后。

3.3砂浆层脱落

1）砂浆层强度较低，同时衬砌表面光滑，砂浆层与衬砌间粘结效果差，造成防火层粘结不牢而脱落。

2）重车通过隧道时造成衬砌发生瞬间震动，造成防火层松动、脱落。

3.4衬砌厚度不足

致成二衬厚度不足的原因只有两个，其一，整个施工缺乏规范性或规范性过低，其二，有空洞脱空存在于衬砌背后。

3.5衬砌渗漏水

1）隧道经过多年运营，排水系统局部淤积堵塞，导致地下水不易排出；同时衬砌背后存在不密实区及空洞，易形成地下水富集区。

2）隧道建成早，初期支护与二衬之间未设置防水板，施工缝止水条老化损坏，失去防水功能，地下水沿二次衬砌施工缝及衬砌裂缝渗出。

4、加固总体原则及方案

4.1加固总体原则

1）针对衬砌的病害情况、产生机理，有针对性的采取处治措施。

2）处治应按先衬砌空鼓注浆，再衬砌渗漏水处治，然后裂缝补强，衬砌钢板或套拱加固，最后装饰层修复的顺序进行。

3）衬砌渗漏水处治按“宜疏不宜堵”原则进行，通过治理基本达到“不渗不漏”的效果。

4）衬砌加固尽可能保持原结构完整性的基础上进行结构补强。

5）通过隧道结构加固，达到恢复原设计使用功能的目的，同时确保隧道装饰美观。

6）采用成熟工艺，施工材料、工艺与施工条件紧密结合，可操作性强。

4.2加固总体方案

1）对于二次衬砌与初期支护之间存在不密实、空鼓、高含水现象，采取注入水泥—水玻璃双液浆进行填充。

2）对于衬砌渗漏水，采取凿槽埋管的方式进行处治，当衬砌出现大面积的严重渗水时，同时采取拱脚泄水的方式进行处治。

3）对于衬砌环向、斜向、纵向裂缝，对于大于0.2mm的超限裂缝，采取裂缝注胶方式进行处治。

4）对于衬砌厚度不足和衬砌网状严重开裂的段落：采取衬砌钢带加固的方式进行处治。

5、钢板带加固

5.1加固段

根据秦山隧道病害检测评估报告和裂缝检测报告衬砌结构厚度和裂损情况，对衬砌结构网裂密集段落及较大规模拱部衬砌厚度不足段落共计331m长段落，进行钢带加固，加固段落见下表1所列。

本次采用幅宽25cm、厚5mm的w钢带进行环向衬砌加固，钢带纵向间距100cm。钢带环向设置范围为隧道拱部位置。钢带采用锚栓进行固定后，注入胶黏剂与衬砌粘结为一体。锚栓采用M16化学锚固螺栓，植入深度不小于12cm。

5.2钢板带方案加固优点

①W钢带抗弯截面模量提高37倍，向下截面模量约是向上截面模量的2.75倍。②W钢带与其他类型钢带比，W钢带更不易撕裂，而且钢度大，提高70倍左右。③W钢带冷轧过程中的硬化作用，提高抗拉强度12%-15%。④W钢带截面利用率高，节省材料。⑤既有机电设备基本不用拆除，钢带布置位置与其冲突时，可做适当调整。⑥施工快速、环保，可实现单车道交替通行。

5.3钢带加固施工工藝

1）基面的处理

①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1.5mm/m。清除衬砌表面范围应满足钢带固定范围。②将混凝土表面清理干净并保持干燥。③钻制锚栓预留孔。

2）W钢带制作

①钢带粘结面用喷砂或除锈机打磨直至露出金属光泽，打磨纹路应与钢带受力方向垂直，钢带粘结面应有一定的粗糙度；用脱脂棉沾丙酮将钢带表面擦拭干净。②依据现场植埋的锚栓位置、间距，对待固定的钢带进行配套打孔。③钢带外露面涂刷防腐底漆3道。

3）粘贴W钢带

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。

5.4粘贴钢带的施工要点

①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）钻孔应清理干净，保持干燥，不得有油污。（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》（GB50367-2013）的相关规定执行。

②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，用低速搅拌器搅拌均匀，并在适用期内用完。胶黏剂应满足设计要求的各项力学指标和耐久性要求。其质量应符合《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）的相关规定。

③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。

④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60cm的W接头钢带进行搭接，接头钢带与原加固W钢带之间用用锚栓固定，并用粘钢胶粘结。

⑤钢带表面防腐处理：经检验确认钢带粘贴固化密实效果可靠后，并清除钢带表面污垢。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。

⑥处治进行钢带分段时，钢带连接采用平口焊接，再用长60cm的W接头钢带进行搭接，接头钢带与原加固W钢带之间用用锚栓固定，并用粘钢胶粘结。

⑦采用纵向平钢板与环向钢带焊接，并用接头钢板进行锚接。

⑧最后采用3cm厚聚合物砂浆对加固区域进行封闭。

6、施工遇到的实际问题处理

下文，我们将对施工中遇到的实际问题进行详细分析和介绍处理方案。

6.1原拱顶砂浆剔凿问题

为了确保水泥砂浆及防火涂料的整体性，结合实际现场对0～205、603～964桩号间的砂浆层进行凿除。其余205～603区间根据砂浆粘结强度检测，检测结果≥0.3MPa能满足要求，同意保留原有砂浆层。施工时，要求在新老砂浆层交界位置注意平整，同时对未凿除的老砂浆层进行清洗除灰处理。此外对于保留的砂浆层也要再行进行空鼓锤敲击及外观检查等，对局部空鼓及劣化严重的零星部位进行处理。

6.2桩号643m处衬砌薄弱、空鼓部位处理

面对桩号643m处，衬砌薄弱、空鼓严重位置，按照凿除厚度10cm以下的衬砌层，增打3m长中空锚杆，绑扎钢筋网，浇筑C30微膨胀细石混凝土的方案进行处理。

6.3隧道北部零星部位双夜注浆屡注不满问题

根据现场查看应按照原设计处理方案进行现场实施，同时经过处理仍未注满时，可由检测单位现场查一下注浆空洞大小和注浆流动范围，以便最终解决方案的确定。

6.4南北洞口范围锚杆施工问题

在南北洞口（各约30米）范围锚杆钻孔困难问题，无法规避钢筋的情况下，可适当增大钢带间距，由1米调整至2米，同时要求对已实施的锚杆（遇到障碍无法继续钻孔），必须仍按照原锚杆施工工艺，埋植锚杆并封堵。

6.5隧道空洞较大处部位处理

原则上中空注浆锚杆应按照设计进行施工，如有浆液流入空鼓位置时，建议根据现场情况采用止浆塞进行止浆作业。当遇到止浆塞无法有效止浆的特殊情况时，可采用锚固剂临时锚固的方案，但该方案应确保锚杆端头出浆孔位置应保留出浆空间，避免出浆孔被锚固剂堵塞，以便后期注浆加固锚固端岩体。

6.6雨水较多，南北洞口附近顶部渗水问题

面对雨水较多，施工过程中发现，隧道南北洞口附近顶部出现渗水、滴水现象，主要集中在以下三个典型部位：中空锚杆、化学锚栓、裂缝（包括施工缝、细微裂缝）起拱线位置，制定有针对性处理措施如下：

1）粘贴钢板带处

在渗水集中点周圍增打1m深注浆孔，注入水溶性聚氨酯灌浆堵水高分子材料，填充遇水凝固的堵漏剂于孔洞位置，并且最终在渗水表面喷涂高效防水涂料。

2）其他一般段落

有条件时尽量采取引排措施，开槽引流，但环向排水管纵向间距不宜过小，最小不小于5m，排水管附近存在渗漏水时，可斜向开槽将水导入环向排水管内，导水管内应加密引水孔，增强引排效果。

图3 裂缝注浆补强设计

不具备开槽条件时，打1m深注浆孔，注入水溶性聚氨酯灌浆堵水高分子材料，渗水孔洞、缺损处位置适当开凿，填充遇水凝固的堵漏剂（“立止水堵漏剂”等相关堵漏材料），最后在渗水表面喷涂高效防水涂料。

结语：

秦山隧道全线加固自2016年8月开始，历时2.5个月，经过业主、设计、监理、施工单位密切配合，顺利实现整治项目目标和通车。本次整治后全线检测，隧道达到了公路隧道养护技术规范中总体技术状况1类标准，确保了隧道安全稳定运行。

参考文献：

[1]祝孝成，金世欣.浅谈公路隧道病害维修与加固[J].江西建材，2016（4）：190-190.

[2]曹永新.探析公路隧道病害维修与加固[J].山西建筑，2017，43（28）：183-185.

[3]崔晓晨，戴文光.浅谈公路隧道病害维修与加固[J].工程技术：引文版，2016（5）：00140-00140.

[4]杨文方.浅谈公路隧道病害维修与加固[J].商品与质量，2016（16）.

[5]孙齐.既有隧道维修加固措施研究[J].四川建筑，2017，37（3）：91-93.

作者简介：

吴志明，中核核电运行管理有限公司，浙江海盐；

王炜龙，浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州。