孫 齊

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

?

既有隧道維修加固措施研究

孫 齊

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

隨著隧道行業(yè)的不斷發(fā)展，新建隧道的數(shù)量逐漸增多，隧道維修管理的體系日臻完善。由于設(shè)計(jì)、施工和地應(yīng)力的影響，隧道在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)多種病害，如剝蝕、掉塊、張裂、壓潰、錯(cuò)臺(tái)、漏水等，這是對既有隧道進(jìn)行維修加固時(shí)值得思考的問題。

隧道； 病害； 維修； 加固

隨著隧道工程的不斷發(fā)展與成熟，維修加固已逐漸進(jìn)入各國重點(diǎn)研究的范疇。在法國和德國等隧道較多的國家，采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外線測試和光譜分析試驗(yàn)等無損傷檢測技術(shù)對隧道襯砌進(jìn)行檢查已經(jīng)引起了隧道工作者的興趣。德國提出了隧道設(shè)計(jì)是綜合設(shè)計(jì)的概念，重視隧道初期支護(hù)噴射混凝土，重視鋼拱和鋼筋格柵支撐，強(qiáng)調(diào)錨桿的選擇和布設(shè)對圍巖變形的控制；同時(shí)開展了強(qiáng)化初期支護(hù)而不做二次襯砌的可行性及采用經(jīng)濟(jì)的檢測手段控制隧道結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量和安全性研究[1]。日本在近年組織進(jìn)行了多項(xiàng)有關(guān)公路隧道長期安全性評價(jià)和維護(hù)加固對策的專題研究，在此基礎(chǔ)上形成的《公路隧道維護(hù)管理便覽》，對高速公路隧道的安全性評價(jià)和管理維護(hù)加固提供了重要的指導(dǎo)作用[2]。目前我國隧道病害治理方法落后，對于鐵路隧道有著一定的探索和經(jīng)驗(yàn)，但對于公路隧道的整治還停留在比較低的水平，不僅相對國外隧道工程的病害整治是比較落后的，就是與國內(nèi)其它工程的病害整治相比也是比較落后的。

1 既有隧道維修加固的研究方法

目前對既有隧道維修加固的研究主要有以下幾種。

1.1 理論和經(jīng)驗(yàn)研究

巴頓根據(jù)約200座歐洲隧道資料為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出了圍巖分類和相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的建議[3]。日本在大量分析隧道病害的基礎(chǔ)上，提出了隧道病害的典型形式，并對隧道病害進(jìn)行了分級，整理出了《隧道變異對策設(shè)計(jì)手冊》、《隧道維修管理手冊》等，為隧道病害的分類及治理提供了大量有益的參考。

在國內(nèi)，關(guān)寶樹的《隧道維修管理要點(diǎn)集》，介紹了國外隧道維護(hù)加固的經(jīng)驗(yàn)，對國內(nèi)隧道的維護(hù)加固有很好的借鑒作用。

1.2 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)是隧道及地下工程研究中使用較多的一種方法，它的理論基礎(chǔ)是相似理論。模型試驗(yàn)具有直觀、全面的優(yōu)點(diǎn)，并且具有能夠滿足用其他方法不能滿足的條件的優(yōu)點(diǎn)。模型試驗(yàn)分析對工程技術(shù)人員將成為一種不可缺少的工具[4]。國內(nèi)外利用模型試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究的實(shí)例很多。如西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院隧道與地下工程系進(jìn)行了浙江金麗溫連拱公路隧道綜合修建技術(shù)研究的模型試驗(yàn)、鐵山坪隧道模型試驗(yàn)、雙洞小凈距隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究模型試驗(yàn)等。

1.3 計(jì)算機(jī)模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，它在隧道與地下工程中的應(yīng)用也越來越廣泛，各種數(shù)值模擬方法也進(jìn)入了實(shí)用階段：如有限單元法(FME)、有限差分法(FDM)、邊界元法(BEM)、離散單元法(DME)、流形元法(MEM)以及無單元法(Element-Free method)等相繼出現(xiàn)，并且在科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域里發(fā)揮著重要的作用。

1.4 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)是隧道與地下工程研究領(lǐng)域中一種很好的研究方法，通過安裝使用不同類型的量測儀器，所測量到的數(shù)據(jù)通常具有能更真實(shí)、全面、及時(shí)地反映實(shí)際工程問題的優(yōu)點(diǎn)，它不僅為理論研究提供了基本的依據(jù)，而且可以直接指導(dǎo)實(shí)際工程?，F(xiàn)在國內(nèi)外的許多大型、新型或特殊結(jié)構(gòu)工程都積極采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。

鑒于隧道與地下工程的受力特點(diǎn)及其復(fù)雜性，自20世紀(jì)50年代以來，國際上就開始通過對地下工程的量測來監(jiān)視圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性，并逐漸應(yīng)用現(xiàn)場量測結(jié)果來校正和修改設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括以下項(xiàng)目：(1)現(xiàn)場觀測，包括維修加固處的圍巖穩(wěn)定性，圍巖構(gòu)造情況，支護(hù)變形與穩(wěn)定情況及校核設(shè)計(jì)時(shí)采用的圍巖分類；(2)巖體力學(xué)參數(shù)測試，包括抗壓強(qiáng)度，變形模量，粘聚力，內(nèi)摩擦力及泊松比；(3)應(yīng)力應(yīng)變測試，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及圍巖與支護(hù)和各種支護(hù)間的接觸應(yīng)力；(4)壓力測試，包括襯砌上的圍巖壓力和滲水壓力等；(5)位移測試，包括圍巖位移，地表沉降，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及圍巖與支護(hù)傾斜度；(6)溫度測試，包括巖體溫度，洞內(nèi)溫度及氣溫；(7)物理探測，包括彈性波測試和電阻率測試等。根據(jù)不同的研究目的，可選擇不同的測試項(xiàng)目。

2 隧道病害的主要加固對策探討

隧道病害最終反映到二次襯砌上，使二次襯砌發(fā)生裂損或破壞。襯砌裂損的維護(hù)指怎樣防止未裂混凝土發(fā)生裂損；襯砌加固指怎樣控制裂損部位的增加、范圍的擴(kuò)大及其危害程度的加劇。整治襯砌裂損病害首先要消滅已有襯砌裂損帶來的對結(jié)構(gòu)及運(yùn)營的一切危害，并防止襯砌裂損的加大，其次采取穩(wěn)固圍巖為主，穩(wěn)固圍巖與加固襯砌相結(jié)合的綜合治理措施。

襯砌病害的加固方法有很多，但有的受到凈空限制、有的受到運(yùn)營條件限，因此在不同階段、不同隧道、不同地質(zhì)條件、不同的病害形式、不同應(yīng)力場采取的加固方法都是不同的。對不同的襯砌病害的治理、維護(hù)加固應(yīng)該遵循圖1所示流程。

圖1 隧道病害維護(hù)加固流程

隧道維護(hù)加固對策主要有嵌縫加固、局部斷面加固、噴射混凝土、回填壓注、錨桿加固、拱架加固、內(nèi)表面加固、內(nèi)襯等。

2.1 嵌縫加固

襯砌出現(xiàn)少量裂縫，裂縫的寬度、深度都不大，不影響襯砌結(jié)構(gòu)的完整性且裂縫發(fā)展基本穩(wěn)定時(shí)，采用高強(qiáng)度砂漿對裂縫進(jìn)行維護(hù)加固。沿裂縫延伸范圍鑿成楔形槽，槽寬不小于5cm，深度接近裂縫寬度，并且把槽做成外窄內(nèi)寬，用水沖洗干凈后，用高強(qiáng)度水泥漿、膨脹性水泥漿、環(huán)氧樹脂砂漿或者環(huán)氧樹脂混凝土嵌補(bǔ)。

2.2 局部斷面加固

在鑿落處及襯砌斷面缺損部分應(yīng)該修復(fù)斷面。作為剝落，鑿落等局部較小范圍的修補(bǔ)可用摻有高分子材料(環(huán)氧樹脂)的砂漿進(jìn)行充填，涂抹。但是對于較大斷面的修補(bǔ)可以采用金屬網(wǎng)、錨栓、鋼板、纖維板修復(fù)，使修復(fù)材料和既有有效襯砌一體化

2.3 回填壓注

回填注漿后，襯砌背后的空洞被填補(bǔ)，破碎圍巖得以膠結(jié)，增大了巖體之間的摩擦力，圍巖與襯砌密貼，改善了受力狀態(tài)，從而使襯砌背后圍巖形成一個(gè)支撐環(huán)防止了二次襯砌的進(jìn)一步開裂和變形。因此回填壓注常常作為治理此類病害的基本對策。

在進(jìn)行回填壓注時(shí)掌握襯砌背后空洞的有無及其大小是非常重要的。因此要充分調(diào)查地質(zhì)、涌水狀況、圍巖崩落地點(diǎn)的施工記錄等。作為事前調(diào)查應(yīng)該盡可能地收集既有資料和進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，特別要很好掌握竣工圖與現(xiàn)場對比的實(shí)際情況。對襯砌的病害狀態(tài)、可能的空洞大小、涌水狀況等進(jìn)行評估，據(jù)此進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理的回填壓注設(shè)計(jì)。在特殊條件下若隧道涌水為飲用水時(shí)，應(yīng)仔細(xì)調(diào)查和評估回填壓注對環(huán)境(地下水系)的影響，慎重決策。

但是即使襯砌背后存在空洞也有不適宜采用回填壓注的場合，主要有以下幾種情況：

(1)涌水量大，壓注漿液困難；

(2)襯砌材質(zhì)不良，因壓注壓力可能引起隧道病害；

(3)襯砌開裂或斷面缺陷顯著，壓注材料有可能流入隧道；

(4)襯砌背后壓注可能堵塞排水，有可能誘發(fā)其它隧道病害。

2.4 錨桿加固

在隧道病害治理中，噴混凝土和錨桿常常一起使用，以維護(hù)加固隧道。錨桿加固對隧道壁面向凈空側(cè)的變形具有內(nèi)壓效果。采用錨桿加固能夠控制因塑性地壓和偏壓造成的病害發(fā)展，在襯砌出現(xiàn)裂縫時(shí)也可防止襯砌掉塊。在膨脹性圍巖有很大地壓的場合，可用灌漿錨索代替錨桿。但是要想獲得理想的錨固效果必須能使錨桿與周邊圍巖確實(shí)地錨固。因此在決定采用錨桿加固之前要對圍巖進(jìn)行調(diào)查，主要應(yīng)該調(diào)查隧道周邊地質(zhì)狀況、涌水狀況、限界富裕、襯砌狀況、施工條件等。錨桿加固原則上應(yīng)該導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力。錨桿加固范圍應(yīng)該考慮地形、地質(zhì)狀況，病害的原因(地壓的方向)、病害現(xiàn)象(病害程度)、隧道斷面形狀、隧道構(gòu)造等因素確定。在病害不嚴(yán)重的情況下，垂直地壓是主要的場合，僅在拱部；側(cè)壓是主要的場合，僅在側(cè)壁。當(dāng)病害較嚴(yán)重時(shí)，不管地壓的方向，以側(cè)壁拱部全范圍為對象；在底部有顯著底鼓的場合，也要在底部采取措施。

2.5 噴混凝土加固

對于裂縫較多，但是裂縫深度較淺，裂縫發(fā)展緩慢的局部破損，可以采用噴射混凝土的方法對裂縫進(jìn)行加固。噴射混凝土可以使已裂損的塊體緊密結(jié)合，阻止這些塊體的進(jìn)一步松動(dòng)，同時(shí)在噴射壓力作用下嵌入裂縫內(nèi)一定深度，使裂縫粘結(jié)閉合，增強(qiáng)了原有裂損襯砌的整體性，大幅度提高了裂損襯砌的承載能力，達(dá)到加固的目的。當(dāng)裂損嚴(yán)重時(shí)噴混凝土常與鋼筋網(wǎng)、預(yù)應(yīng)力錨桿(錨索)結(jié)合使用。在噴層中加入鋼筋網(wǎng)可防止收縮裂紋，提高加固結(jié)構(gòu)的整體性和抗震、抗沖切能力。具體方法把有裂縫的二襯鑿去一定深度，并且鑿毛表面，用壓力水沖洗，打入膨脹螺栓，布設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土。此外，預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索的懸掛、減跨、組合梁和擠壓作用可以有效地改善圍巖和襯砌的受力狀態(tài)，使之趨于穩(wěn)定。錨桿(包括錨索，一般加預(yù)應(yīng)力)、噴層以及噴層內(nèi)的鋼筋網(wǎng)三者優(yōu)勢互補(bǔ)，對增加裂損襯砌的剛度、穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)承載力的效果顯著。

當(dāng)襯砌裂損很嚴(yán)重需要鑿除二次襯砌進(jìn)行加固時(shí)，常用含有速凝劑的噴射混凝土，它可在噴射后2～10 min內(nèi)凝固，及時(shí)向圍巖提供支護(hù)抗力(徑向力)，使鑿除二次襯砌后的圍巖表層巖體由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，改善圍巖的受力狀態(tài)。鑿除二襯前應(yīng)該充分調(diào)查研究，防止在鑿除二襯的過程中隧道發(fā)生突然坍塌的重大事故。

2.6 拱架加固

拱架加固一般與內(nèi)襯同時(shí)使用，計(jì)劃時(shí)應(yīng)充分調(diào)查病害現(xiàn)象、限界富余、襯砌狀況及施工條件。拱架加固除有抵抗地壓的作用外，還有防止襯砌劣化剝落作用，同時(shí)襯砌限界富余量小的情況與內(nèi)襯，金屬網(wǎng)，噴射混凝土配合使用。拱架加固的設(shè)計(jì)中要根據(jù)病害的程度、限界富余、隧道斷面形狀、尺寸等合理地設(shè)計(jì)材料、尺寸、間距、對策范圍和底腳、接頭等細(xì)節(jié)部位。加固拱架的材料應(yīng)具有足夠的剛性，延伸度要大，彎曲和焊接施工性要好。一般采用具有合適剛度的型鋼(如H型鋼)。加固拱架原則上在斷面方向應(yīng)從邊墻底部到拱部沿隧道全周采用，從加固效果看，全周設(shè)置最好，如經(jīng)充分論證只在拱部設(shè)置，則要采取措施使拱架和既有襯砌成為一體。

2.7 內(nèi)襯加固

內(nèi)襯原則上采用鋼纖維混凝土(SFRC)。鋼纖維混凝土是一種新型復(fù)合建筑材料。普通混凝土本身具有微裂縫，抗拉、抗扭、阻裂性能較差，而鋼纖維混凝土有優(yōu)良的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗裂、阻裂、耐沖擊、抗疲勞、高韌性等性能。在地下工程破損嚴(yán)重時(shí)，可以使用混凝土破碎劑鑿除二襯，采用格柵或鋼軌拱架臨時(shí)支護(hù)，防止塌陷、掉塊，隨即采用直徑15～25 mm，直徑0.3～0.5 mm，長徑比30～60，體積率0.6 %～2 %的噴射鋼纖維混凝土替換原有二襯。當(dāng)鋼纖維混凝土厚度達(dá)到100 mm以上時(shí)，應(yīng)與鋼筋或型鋼拱架并用。鋼纖維混凝土有良好的抗拉、抗彎、抗剪、抗裂、阻裂性能，并且采用噴射工藝時(shí)，具有施工快捷，結(jié)構(gòu)安全可靠、對運(yùn)營影響小等優(yōu)點(diǎn)。受隧道變形的影響和隧道本身的凈空斷面限制，內(nèi)襯的厚度都比較小(150 mm以下)，同時(shí)因作業(yè)空間狹小，若采用混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，常常不能夠確保保護(hù)層的厚度，采用鋼纖維混凝土可減薄內(nèi)襯厚度，也可達(dá)到維護(hù)加固的效果。此外運(yùn)用鋼纖維混凝土加固隧道對于襯砌劣化、涌水及凍害都是一種有效的手段。隧道加固襯砌要承受較大的軸力，因此為了支持軸力應(yīng)在內(nèi)襯的底腳設(shè)置基礎(chǔ)，有仰拱的情況可通過仰拱傳遞斷面力。當(dāng)內(nèi)襯厚度較大時(shí)應(yīng)與拱架加固結(jié)合使用。

3 結(jié)束語

隧道維修加固有很多手段，包括前面提及的嵌縫加固、局部斷面加固、噴射混凝土、回填壓注、錨桿加固、拱架加固、內(nèi)表面加固、內(nèi)襯補(bǔ)強(qiáng)等，而每一種加固方案都有其獨(dú)特的適用性，分析每一種加固方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮線路的埋深、走向、隧道的病害情況(掉塊、剝蝕程度、空洞塌陷情況等)，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)遴選確定最佳方案。加固方案一旦確定，就要針對該加固方案，進(jìn)行計(jì)算分析，確定在滿足已有隧道耐久性和安全性的情況下的參數(shù)。

[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.盾構(gòu)法隧道的耐久性[J]. 地下工程與隧道，2002(2)：2-5.

[5] 西南交通大學(xué)編. 鐵路隧道可靠度研究文集[G]. 西南交通大學(xué),1991.

[6] 張偉平，顧祥林，金賢玉.混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理及銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，56(1)：327-332.

[7] 李志業(yè),肖中平. 地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 1999.

本 刊 啟 事

《四川建筑》雜志系國內(nèi)外公開發(fā)行的中文期刊，《四川建筑》編輯部是唯一的編輯出版單位。本刊編輯部從未委托任何中介公司代理稿件推薦工作，更未委托其代收稿件版面費(fèi)，特此聲明，恭請廣大作者注意，以免上當(dāng)受騙。

《四川建筑》編輯部地址：四川省成都市金牛區(qū)解放路二段95號

電 話：028-83336908

投稿信箱：scjzbjb@163.com

郵 編：610081

《四川建筑》編輯部

孫齊(1991～)，男，碩士研究生，從事隧道安全性評估與維護(hù)研究。

U457+.3

B

[定稿日期]2017-03-10