铁路隧道衬砌拱部露筋整治工艺研究

曾 勇

(中铁十八局集团 第三工程有限公司,河北 涿州 400700)

近年来,国家交通行业快速发展,新建隧道的比例大幅提升,而随着西部大开发持续推进,西部地区隧道的修建速度正不断加快。因施工工艺或质量欠缺,既有隧道病害形式多样,常见的病害形式包括隧道衬砌空洞、防水板切割、渗漏水、衬砌裂缝以及衬砌露筋等问题[1],针对空洞以及衬砌裂缝,国内外学者已进行过大量研究,而防水板切割及衬砌露筋等问题目前相关研究成果较少,衬砌露筋会对衬砌结构承载力带来一定影响,长时间衬砌露筋会导致钢筋锈蚀,严重影响隧道运营安全,目前国内外专家学者对该病害并未过多关注,尽早对衬砌露筋病害展开研究十分重要。

国内针对衬砌露筋问题的处置措施研究较少。刘上春等针对衬砌表面缺损露筋,提出表面防护和缺损修复方案,并进行现场应用,可取得较好的应用效果[2]。赵娟娟根据衬砌露筋病害的产生原因,结合相关工程经验,提出相应的防治措施[3]。高墅采用硅烷、环氧树脂等化学浆材处理此类问题,施工工艺为环氧砂浆涂抹加硅烷喷涂,处理效果满足设计及规范要求[4]。

这些研究鲜有衬砌露筋对支护结构的影响研究。本文依托某铁路隧道衬砌露筋缺陷整治,对隧道拱部衬砌露筋缺陷的整治技术进行研究,以消除隧道衬砌露筋安全隐患,并为类似病害整治提供借鉴。

1 隧道检测情况

1.1 强度检测情况

某铁路隧道总长度超过5 000 m,绝大部分是溶蚀、剥蚀以及侵蚀低山地形地貌,隧道最大埋深达349 m,该隧道洞身围岩大多为Ⅲ～Ⅴ级,是剥蚀丘陵地貌,属单斜构造,节理多呈微张状至张开状。根据检测结果,该隧道DK86+396至DK86+408缺陷段C35混凝土无损检测和强度检测平均值为40.4 MPa(设计值35 MPa),隧道DK86+465至DK86+472缺陷段C35混凝土无损检测和强度检测平均值为43.7 MPa(设计值35 MPa),隧道DK87+125至DK87+130缺陷段C35混凝土无损检测和强度检测平均值为41.7 MPa(设计值35 MPa),隧道DK87+185至DK87+188缺陷段C35混凝土无损检测和强度检测平均值为41.1 MPa(设计值35 MPa),隧道DK87+365至DK87+372缺陷段C35混凝土无损检测和强度检测平均值为42.1 MPa(设计值35 MPa)。

1.2 掌子面素描情况

根据缺陷段代表性掌子面素描结果,DK86+396、DK86+568处围岩为泥岩,紫红色,整体,节理裂隙发育,地下水以滴渗水为主;DK87+137、DK87+286处围岩节理裂隙较发育,稳定性较差,地下水较发育,含饱和基岩裂隙水;DK87+432、DK87+456处围岩为泥岩,局部夹砂岩,黄褐色,该段围岩节理裂隙较发育,稳定性较差,局部段落含水量较大;DK87+578、DK87+642处围岩为泥岩,局部夹砂岩,节理裂隙发育,稳定性较差,地下水发育。

1.3 变形监测情况

根据监测结果可以看出,DK86+600处缺陷段初支拱顶下沉已经收敛,最终收敛值为7.40 mm,周边收敛量为7.00 mm、1.80 mm;DK86+620处缺陷段初支拱顶下沉已经收敛,最终收敛值为5.70 mm,周边收敛量为4.50 mm、0.30 mm;DK87+640处缺陷段初支拱顶下沉已经收敛,最终收敛值为0 mm,周边收敛量为0 mm;DK87+660处缺陷段初支拱顶下沉已经收敛,最终收敛值为3.00 mm,周边收敛量为5.00 mm、4.90 mm。综上可知,拱顶及周边沉降趋于稳定,围岩—支护体系稳定。

2 隧道缺陷成因和治理措施

2.1 隧道缺陷成因

DK87+349拱顶漏筋,长1 m,宽0.6 m。面积0.6 m2。缺陷见图1。

图1 钢筋外露

通过研究分析,钢筋外露的主要原因是质量控制没有注意细节,导致二次衬砌混凝土浇筑时,混凝土外溢至局部未焊接牢固或存在裂缝的防水板外面,在混凝土自重以及振捣作用下,二衬钢筋被压至衬砌台车钢模位置,造成钢筋出现外露现象。

2.2 治理措施

针对隧道二次衬砌存在混凝土露筋质量缺陷,根据施工单位提供的资料,现场采用以下措施进行整治:凿除修补混凝土(深度7 cm),打磨顺圆,高压水枪冲洗干净;对露出钢筋涂刷2道E-44型环氧树脂进行防腐处理;混凝土凿除表面涂刷3道水泥基渗透结晶型防水材料(水灰比W/C=0.3：1)。

3 数值计算

3.1 计算模型及工况

根据现行《铁路隧道设计规范》围岩级别的划分,考虑隧道埋深,按地层—结构模型进行结构计算,根据衬砌设计参数相关资料,结合《铁路隧道设计规范》,对本隧道缺陷段进行检算。根据地层—结构模型理论,为了消除边界效应,计算模型左右边界取5倍隧道洞径,下边界取5倍隧道高度,数值模型尺寸为90 m(长)×90 m(高)×10 m(宽),如图2所示。围岩级别为Ⅴ级,采用摩尔库伦本构模型,初期支护及二衬采用弹性模型,等效钢筋层采用摩尔库伦本构模型。下边界施加竖向约束,左右边界施加水平约束,上边界为自由边界,采用FLAC3D进行计算。计算工况如表1所示。

表1 二衬混凝土露筋缺陷计算工况

(a)隧道地层—结构三维图

工况1缺陷里程为DK87+349,检算为Ⅴ级围岩,Ⅴc型复合衬砌,衬砌强度等级为C35,Ⅴc型复合衬砌埋深为43 m。

3.2 计算原理

为了更好模拟钢筋混凝土,解决钢筋混凝土结构在强度折减法中的应用问题,结合参考文献[5]和[6],根据摩尔库伦屈服准则要求,得出钢筋混凝土衬砌结构等效抗剪强度指标(主要为黏聚力c和内摩擦角φ),以及等效抗拉强度σt等系列公式。

钢筋混凝土等效材料的抗剪强度指标c、φ分别为:

(1)

(2)

式中,Gs为钢筋的剪切模量,Gc为混凝土的剪切模量,vs为钢筋混凝土配筋率,cc、φc分别为混凝土的抗剪强度指标。

钢筋混凝土等效材料的抗拉强度为:

(3)

式中,Es为钢筋的弹性模量,Ec为混凝土的弹性模量,σtc为混凝土的抗拉强度。

按照衬砌结构特性和其受力主要特征,可以判断环向钢筋是核心受力筋,从而在计算中不考虑纵向钢筋在承载中相关影响。

3.3 计算参数

为了更加符合检算段的实际受力状态,本次计算的材料参数根据《铁路隧道设计规范》,以及地质勘探得到的参数建议进行综合取值。二次衬砌强度和厚度按设计参数确定。结合等效钢筋混凝土层计算转换公式,可求出等效钢筋混凝土层的抗剪强度指标(c,φ)和抗拉强度(σt)。等效钢筋混凝土层、围岩及支护结构计算参数如表2所示。

表2 等效钢筋混凝土层、围岩及支护结构计算参数表

3.4 控制标准

关于衬砌变形控制标准可参考相关监控量测规范,《铁路隧道监控量测技术规程》具体控制标准值如表3所示。

表3 衬砌位移控制标准值

根据设计资料可知,拱部、边墙、仰拱均采用C35钢筋混凝土;根据《铁路隧道设计规范》,混凝土和钢筋混凝土结构中混凝土的极限强度应按表4采用。

表4 混凝土极限强度设计值 单位:MPa

针对两种控制标准,由于拆换前后对衬砌结构的位移影响较小,因此我们主要对拆换前后衬砌结构的受力进行分析,采用强度控制标准作为评判准则。结合混凝土极限强度设计值以及规范相关规定,采用最大拉应力2.4 MPa和极限抗压强度26 MPa作为衬砌拆换前后结构安全的控制界限。

3.5 计算结果分析

对整治前后的衬砌最大与最小主应力云图进行切片,如图3和图4所示。

(a)整治前

(a)整治前

由图3和图4可知,当衬砌结构经过整治后(不露筋状态下),衬砌结构的最大主应力与最小主应力均明显增大,整治后衬砌结构的主应力会有所减小,衬砌结构在整治前最大主应力为0.128 MPa,在整治后最大主应力为0.074 MPa,均小于抗拉设计强度。整治前后衬砌结构的最小主应力分别为0.660 MPa、0.395 MPa,均小于抗压设计强度。说明整治前后结构均是安全的。衬砌露筋并不会降低衬砌结构的承载能力,处理该缺陷最重要的是为了防止外露钢筋遭到侵蚀,进一步影响到衬砌结构的承载能力,同时外露钢筋周围的衬砌混凝土容易脱落,导致隧道产生新的病害,影响运营安全。

对整治前后衬砌结构竖向位移进行计算,如图5所示。

(a)整治前

对整治前后的衬砌全环位移云图进行分析,发现二衬结构位移最大位置在仰拱底部中央(颜色最深处),最大变化差值:(3.280-3.225)×10-4=0.055×10-4(m),几乎为0,表明衬砌露筋对结构位移影响较小,在围岩—初支稳定情况下,衬砌钢筋外露时结构仍可以保持其整体稳定性,考虑衬砌露筋易产生锈蚀、腐蚀,对结构的强度及变形性能造成影响,为保障结构的耐久性,采用环氧砂浆封闭钢筋,并涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料防止衬砌混凝土劣化。

3.6 整治效果

缺陷处混凝土经凿除打磨圆顺后,对外露钢筋涂刷环氧树脂进行防腐处理,并对混凝土表面处理干净以后,仔细涂刷水泥基渗透结晶型防水建材,实践证明存在缺陷的混凝土露筋情况被治理后效果非常好,且混凝土外观品质较好,结构防水及防腐处理能满足设计要求。

4 结论与建议

(1)基于数值模拟对整治前后衬砌主应力和位移进行分析,发现整治后衬砌主应力有所减小,但衬砌位移变化量较小,表明采用该整治措施能有效提高衬砌结构承载能力,对于钢筋混凝土衬砌,整治前后衬砌竖向位移控制效果并不显著。

(2)经整治效果验证,涂刷2道E-44型环氧树脂进行防腐处理,可防止衬砌外露钢筋锈蚀,能有效改善衬砌结构的承载能力,该整治方案简单易行,能够对衬砌露筋造成的安全隐患及时消除,确保铁路隧道运营安全。

(3)由于铁路隧道存在一定的复杂性和不确定性,建议隧道运营期对缺陷凿除后的整治部位进行必要的观察或监测,以确保隧道运营过程结构安全。