公路隧道衬砌全断面拆换施工病害处治研究

孙 迪

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

随着公路隧道运营年限的增加,病害问题逐年显现,除常规的裂缝、渗漏水等病害外,建设时期的一些特殊地质段受到后期外部环境变化等因素的影响,衬砌易产生结构性病害,既影响隧道技术状况等级,也对行车及自身结构安全带来极大隐患[1]。运营隧道结构性病害的处治是运营隧道维修养护的重点。对于衬砌严重破损、错台的重点病害,工程技术人员在长期积累中也进行了相应的总结。刘继灵等[2]分析了衬砌拆换的变形特征。刘彬[3]对隧道衬砌脱空缺陷拆换的处治工法进行了经验论证。同时,一些专家学者也对不同地质条件下的衬砌拆换提出了经验建议[4-6]。

1 工程概况

1.1 隧道基本情况

隧道位于长深高速,全长730m,于2008年建成通车。二衬为(钢筋)混凝土结构,路面类型为沥青混凝土面层的复合式路面结构,隧道建筑限界净宽10.75m,建筑限界净高5.5m。

1.2 病害情况

在定期检查过程中,发现隧道24～25板衬砌拱部施工缝部位存在严重的错台现象,错台高差15cm,止水带外露,同时衬砌结构裂缝密集,纵向及环向裂缝交错,呈现网裂状态,裂缝最大宽度8mm。通过地质雷达检测发现,衬砌拱部病害区域厚度严重不足,厚度最大不足处为17.5cm,为设计厚度的50%,同时对病害区域进行混凝土强度检测,混凝土芯样抗压强度为24.7MPa,小于设计强度等级C30的要求。此病害区域前期已采用临时钢架进行环向支撑。拱部衬砌错台见图1。

图1 拱部衬砌错台

1.3 地质条件

在病害区域衬砌拱顶上方发生变形病害部位进行地质勘察,主要为地质调绘和拱顶竖向钻孔,钻孔深度25m。根据隧道场地地质调查,隧道沿线地表出露3处构造带,具体描述如下:

(1)距隧道洞口约25m处,可见层间构造带,为强高岭土化闪长玢岩侵入岩脉,沿层理面侵入,产状为151°∠59°,水平宽度1.75m,垂直厚度1.65m。

(2)距钻孔约左25m北侧坡下,可见构造断裂带,且为强高岭土化闪长玢岩侵入岩脉,由低至高呈现“尖灭状”,走向120°,产状为208°∠70°,出露最大水平宽度约5.10m,出露延伸长度约20.0m。

(3)距钻孔约左25m北侧坡下的山沟处见断裂带,与隧道走向近平行,该断裂带切割强高岭土化闪长玢岩侵入岩脉。层间构造带见图2。

图2 层间构造带

不良地质及特殊性岩土:不良地质现象主要为构造带发育,特殊性岩土为膨胀性岩。膨胀性试验数据显示,黏土化闪长玢岩为弱膨胀岩。

1.4 病害原因分析

通过对现场的表观病害检查、强度检测、衬砌厚度及背后缺陷检查以及地质勘察,分析病害成因如下:隧道衬砌结构混凝土强度较低,抵抗外荷载能力较弱;二衬结构厚度不均,在长久的围岩压力作用下,二次衬砌受力不均,致使拱部区域出现开裂错台现象;病害区域拱部处在构造断裂带,同时地质钻孔揭露的岩体为黏土化闪长玢岩,具有弱膨胀性,北方季节变换冻融循环,春融期软岩地层含水率急剧增加,膨胀压力显著。

地质条件因素和衬砌结构本身的缺陷是导致隧道衬砌出现严重结构性病害的重要原因。

2 全断面拆换的处治思路

隧道病害区域处在构造破碎带上,围岩具有膨胀性且较为松散。通过无损检测手段,发现结构存在背后脱空情况,拱部必然存在散落的围岩,同时衬砌混凝土强度较低并存在大量裂缝。因此在施工过程中,松散体掉落及结构塌方是重要的风险点,必须采取相应的措施进行控制。背后脱空的回填以及膨胀性围岩的处治也是重要环节。

结合现场实际情况,拆除结构前采用超前支护注浆的方式对拱部围岩进行变形控制,采用分段拆除分段恢复的施工工序来进一步降低施工过程中结构塌落的风险。对于衬砌背后出现的脱空情况,采用轻质混凝土进行回填,对膨胀性围岩采用锚杆注浆的方式限制远期的吸水膨胀,并进一步加强初期支护及二衬的设计。通过以上处治思路来完成结构整体的拆换施工,解决病害并最大程度消除围岩存在的安全隐患。同时,为进一步评估远期处治效果,在内部埋设围岩压力、钢支撑内力以及锚杆轴力传感器,用于长期监测。

3 变形控制措施

3.1 超前导管支护

隧道结构拆除前,采用A76×6热轧钢管对拱部120°范围进行超前支护,导管长10m,环向间距40cm,纵向排距1.6m,与水平方向夹角成30°,管壁四周设置A8注浆孔,间距20cm,呈梅花型布置,尾部30cm不钻孔作为止浆段。纵向间距设置主要考虑和分段拆除的间距匹配,保证每一拆除段上部均存在拱部支撑,同时在结构拆除前将超前支护全部实施完毕,拱部形成棚护的同时,也争取了浆液凝固的时间。

注浆浆液为普通水泥浆液,水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥,水灰比为0.5∶1～1∶1.2,注浆压力初压为0.5～1.0MPa,终压为2.0MPa。拱部超前支护见图3。

图3 拱部超前支护

3.2 分段拆除恢复

为进一步降低结构拆除过程中上部破碎围岩塌落以及衬砌结构掉块的可能性,拆除施工总体采用分段的方式进行,纵向拆除1.6m一个循环,环向分三段拆除,先墙后拱,拆除前先对未拆除段进行临时钢架支撑,拆除过程中设置衬砌监测点,关注结构动态变形情况,反馈施工。

每一段拆除后,立即对围岩进行系统锚杆并注浆,锚杆采用RN25N中空注浆锚杆,浆液为水泥净浆,注浆加固的目的一是为了凝结破碎的围岩,二是为了让膨胀性围岩充分吸水饱和,限制后期膨胀变形,注浆加固质量是处治效果的重要控制点。

每一段施工结束后,结合拆除段依次顺序作业,直至整板拆换完成,最后一次性浇筑二衬结构。

结构分段拆除中一项重要的控制措施是对拆除区域边缘进行机械切割,阻断机械振动对非拆除区域的影响,降低扰动。

4 背后脱空处治

4.1 围岩处治

结构拆除后,衬砌背后呈现脱空状态,因此在结合锚杆注浆加固的基础上,对拱部空洞区域围岩喷射C25早强混凝土(分三次喷射),初喷厚度5cm,然后打设系统锚杆,打设锚杆后挂A8钢筋网,钢筋网格尺寸150mm×150mm,然后复喷10cm C25早强混凝土。第三次混凝土喷射在初支钢架与“V”字型钢连接完毕后再喷射5cm C25早强混凝土,从而对围岩形成封闭。

4.2 初期支护及空间桁架

初期支护采用14号工字钢,拱部和仰拱部位闭合成环,钢架间设置纵向连接筋,间距为0.5m。

拱部钢架与围岩之间的空隙处采用与钢架同型号的“V”字型钢补充支撑,“V”字型钢与围岩之间应增设垫板或支撑于锚杆垫板上,确保荷载传递路径明确。纵向两榀钢架之间除设置纵向连接筋外,在“V”字型钢部分增设与环形钢架同型号斜向钢支撑连接,形成空间桁架结构,“V”字型钢支撑点间距不大于1m。支护桁架体系见图4。

图4 支护桁架体系

4.3 脱空回填

钢架与围岩间空腔采用轻骨料混凝土填充,空腔回填在下部仰拱及拱部环形钢架和“V”字型钢补充支撑施工结束后进行,轻骨料混凝土应用的配合比为:56kg水泥+112kg粉煤灰+1.16m3珍珠岩+0.4m3水,在回填内部空腔前对初期支护设置临时内模板,以支撑轻骨料混凝土的回填,详见图5。

图5 衬砌背后脱空回填

5 结构加强设计及健康监测

5.1 围岩加强

由于病害区域处在构造断裂带上,且存在膨胀性围岩,因此对围岩的加强处治是重要的控制点。主要的控制手段为注浆加固,该方法在提高围岩整体性的同时,也进一步增加了膨胀性围岩吸水性,使其趋于饱和,限制后期吸水膨胀变形。

5.2 二次衬砌加强

隧道病害区域原设计为素混凝土结构,综合病害特点及围岩条件,对二衬结构进行加强设计。(1)将素混凝土调整为钢筋混凝土。环向配筋:C25@20(双层),纵向配筋:C12@20(双层)。(2)提高混凝土标号,将原设计C30混凝土调整为C35补偿收缩混凝土,膨胀剂用量45kg/m3,采用补偿收缩混凝土可有效限制新旧混凝土及施工部位的收缩效应。(3)增加二衬设计厚度,将厚度由35cm增加到40cm,增强结构抵抗变形的能力。

结构恢复时,衬砌环向主筋下方与仰拱植筋进行双面焊接,焊接长度不小于5d,提高仰拱与衬砌的整体性,结构拆换浇筑混凝土前,对新旧混凝土结合面进行凿毛处理,增强连接。

5.3 监控布设

为进一步论证处治效果,在上述措施的基础上,增加对全断面拆换段结构的健康监测。增设锚杆轴力传感器、围岩压力传感器以及钢架内力传感器用以长期监测,实时反馈内部压力的变化,目前结构受力稳定,后期会进一步跟踪监测。通过全面的拆换工艺,形成了维修、监测以及后期养护相结合的综合治理体系。

6 结论

结合依托工程隧道结构出现的病害特征、缺陷情况以及不良地质条件,采用全断面拆换的方式处治破损衬砌,提出以下处治思路及结论:

(1)提出了公路运营隧道衬砌严重破损采用全断面拆换的处治思路,并采取超前注浆支护,分段拆除恢复以及机械切割的风险控制措施,降低扰动及塌方风险。

(2)针对衬砌背后空洞,提出以锚杆网喷结合初支及内部支撑的空间桁架系统,并采用轻质混凝土回填的处治措施,有效处理了内部空腔。

(3)对于膨胀性围岩的控制采用注浆饱和阻断吸水及加强二衬结构为核心的手段。

(4)对于隧道的远期运营采取埋设传感器的监测系统,以形成长期的健康监测。