孫 迪

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

隨著公路隧道運(yùn)營(yíng)年限的增加,病害問題逐年顯現(xiàn),除常規(guī)的裂縫、滲漏水等病害外,建設(shè)時(shí)期的一些特殊地質(zhì)段受到后期外部環(huán)境變化等因素的影響,襯砌易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性病害,既影響隧道技術(shù)狀況等級(jí),也對(duì)行車及自身結(jié)構(gòu)安全帶來極大隱患[1]。運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)性病害的處治是運(yùn)營(yíng)隧道維修養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)。對(duì)于襯砌嚴(yán)重破損、錯(cuò)臺(tái)的重點(diǎn)病害,工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期積累中也進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)。劉繼靈等[2]分析了襯砌拆換的變形特征。劉彬[3]對(duì)隧道襯砌脫空缺陷拆換的處治工法進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)論證。同時(shí),一些專家學(xué)者也對(duì)不同地質(zhì)條件下的襯砌拆換提出了經(jīng)驗(yàn)建議[4-6]。

1 工程概況

1.1 隧道基本情況

隧道位于長(zhǎng)深高速,全長(zhǎng)730m,于2008年建成通車。二襯為(鋼筋)混凝土結(jié)構(gòu),路面類型為瀝青混凝土面層的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu),隧道建筑限界凈寬10.75m,建筑限界凈高5.5m。

1.2 病害情況

在定期檢查過程中,發(fā)現(xiàn)隧道24～25板襯砌拱部施工縫部位存在嚴(yán)重的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象,錯(cuò)臺(tái)高差15cm,止水帶外露,同時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫密集,縱向及環(huán)向裂縫交錯(cuò),呈現(xiàn)網(wǎng)裂狀態(tài),裂縫最大寬度8mm。通過地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),襯砌拱部病害區(qū)域厚度嚴(yán)重不足,厚度最大不足處為17.5cm,為設(shè)計(jì)厚度的50%,同時(shí)對(duì)病害區(qū)域進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè),混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度為24.7MPa,小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30的要求。此病害區(qū)域前期已采用臨時(shí)鋼架進(jìn)行環(huán)向支撐。拱部襯砌錯(cuò)臺(tái)見圖1。

圖1 拱部襯砌錯(cuò)臺(tái)

1.3 地質(zhì)條件

在病害區(qū)域襯砌拱頂上方發(fā)生變形病害部位進(jìn)行地質(zhì)勘察,主要為地質(zhì)調(diào)繪和拱頂豎向鉆孔,鉆孔深度25m。根據(jù)隧道場(chǎng)地地質(zhì)調(diào)查,隧道沿線地表出露3處構(gòu)造帶,具體描述如下:

(1)距隧道洞口約25m處,可見層間構(gòu)造帶,為強(qiáng)高嶺土化閃長(zhǎng)玢巖侵入巖脈,沿層理面侵入,產(chǎn)狀為151°∠59°,水平寬度1.75m,垂直厚度1.65m。

(2)距鉆孔約左25m北側(cè)坡下,可見構(gòu)造斷裂帶,且為強(qiáng)高嶺土化閃長(zhǎng)玢巖侵入巖脈,由低至高呈現(xiàn)“尖滅狀”,走向120°,產(chǎn)狀為208°∠70°,出露最大水平寬度約5.10m,出露延伸長(zhǎng)度約20.0m。

(3)距鉆孔約左25m北側(cè)坡下的山溝處見斷裂帶,與隧道走向近平行,該斷裂帶切割強(qiáng)高嶺土化閃長(zhǎng)玢巖侵入巖脈。層間構(gòu)造帶見圖2。

圖2 層間構(gòu)造帶

不良地質(zhì)及特殊性巖土:不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為構(gòu)造帶發(fā)育,特殊性巖土為膨脹性巖。膨脹性試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,黏土化閃長(zhǎng)玢巖為弱膨脹巖。

1.4 病害原因分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的表觀病害檢查、強(qiáng)度檢測(cè)、襯砌厚度及背后缺陷檢查以及地質(zhì)勘察,分析病害成因如下:隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度較低,抵抗外荷載能力較弱;二襯結(jié)構(gòu)厚度不均,在長(zhǎng)久的圍巖壓力作用下,二次襯砌受力不均,致使拱部區(qū)域出現(xiàn)開裂錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象;病害區(qū)域拱部處在構(gòu)造斷裂帶,同時(shí)地質(zhì)鉆孔揭露的巖體為黏土化閃長(zhǎng)玢巖,具有弱膨脹性,北方季節(jié)變換凍融循環(huán),春融期軟巖地層含水率急劇增加,膨脹壓力顯著。

地質(zhì)條件因素和襯砌結(jié)構(gòu)本身的缺陷是導(dǎo)致隧道襯砌出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性病害的重要原因。

2 全斷面拆換的處治思路

隧道病害區(qū)域處在構(gòu)造破碎帶上,圍巖具有膨脹性且較為松散。通過無損檢測(cè)手段,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在背后脫空情況,拱部必然存在散落的圍巖,同時(shí)襯砌混凝土強(qiáng)度較低并存在大量裂縫。因此在施工過程中,松散體掉落及結(jié)構(gòu)塌方是重要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),必須采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制。背后脫空的回填以及膨脹性圍巖的處治也是重要環(huán)節(jié)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,拆除結(jié)構(gòu)前采用超前支護(hù)注漿的方式對(duì)拱部圍巖進(jìn)行變形控制,采用分段拆除分段恢復(fù)的施工工序來進(jìn)一步降低施工過程中結(jié)構(gòu)塌落的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于襯砌背后出現(xiàn)的脫空情況,采用輕質(zhì)混凝土進(jìn)行回填,對(duì)膨脹性圍巖采用錨桿注漿的方式限制遠(yuǎn)期的吸水膨脹,并進(jìn)一步加強(qiáng)初期支護(hù)及二襯的設(shè)計(jì)。通過以上處治思路來完成結(jié)構(gòu)整體的拆換施工,解決病害并最大程度消除圍巖存在的安全隱患。同時(shí),為進(jìn)一步評(píng)估遠(yuǎn)期處治效果,在內(nèi)部埋設(shè)圍巖壓力、鋼支撐內(nèi)力以及錨桿軸力傳感器,用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3 變形控制措施

3.1 超前導(dǎo)管支護(hù)

隧道結(jié)構(gòu)拆除前,采用A76×6熱軋鋼管對(duì)拱部120°范圍進(jìn)行超前支護(hù),導(dǎo)管長(zhǎng)10m,環(huán)向間距40cm,縱向排距1.6m,與水平方向夾角成30°,管壁四周設(shè)置A8注漿孔,間距20cm,呈梅花型布置,尾部30cm不鉆孔作為止?jié){段?？v向間距設(shè)置主要考慮和分段拆除的間距匹配,保證每一拆除段上部均存在拱部支撐,同時(shí)在結(jié)構(gòu)拆除前將超前支護(hù)全部實(shí)施完畢,拱部形成棚護(hù)的同時(shí),也爭(zhēng)取了漿液凝固的時(shí)間。

注漿漿液為普通水泥漿液,水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,水灰比為0.5∶1～1∶1.2,注漿壓力初壓為0.5～1.0MPa,終壓為2.0MPa。拱部超前支護(hù)見圖3。

圖3 拱部超前支護(hù)

3.2 分段拆除恢復(fù)

為進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)拆除過程中上部破碎圍巖塌落以及襯砌結(jié)構(gòu)掉塊的可能性,拆除施工總體采用分段的方式進(jìn)行,縱向拆除1.6m一個(gè)循環(huán),環(huán)向分三段拆除,先墻后拱,拆除前先對(duì)未拆除段進(jìn)行臨時(shí)鋼架支撐,拆除過程中設(shè)置襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn),關(guān)注結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形情況,反饋施工。

每一段拆除后,立即對(duì)圍巖進(jìn)行系統(tǒng)錨桿并注漿,錨桿采用RN25N中空注漿錨桿,漿液為水泥凈漿,注漿加固的目的一是為了凝結(jié)破碎的圍巖,二是為了讓膨脹性圍巖充分吸水飽和,限制后期膨脹變形,注漿加固質(zhì)量是處治效果的重要控制點(diǎn)。

每一段施工結(jié)束后,結(jié)合拆除段依次順序作業(yè),直至整板拆換完成,最后一次性澆筑二襯結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)分段拆除中一項(xiàng)重要的控制措施是對(duì)拆除區(qū)域邊緣進(jìn)行機(jī)械切割,阻斷機(jī)械振動(dòng)對(duì)非拆除區(qū)域的影響,降低擾動(dòng)。

4 背后脫空處治

4.1 圍巖處治

結(jié)構(gòu)拆除后,襯砌背后呈現(xiàn)脫空狀態(tài),因此在結(jié)合錨桿注漿加固的基礎(chǔ)上,對(duì)拱部空洞區(qū)域圍巖噴射C25早強(qiáng)混凝土(分三次噴射),初噴厚度5cm,然后打設(shè)系統(tǒng)錨桿,打設(shè)錨桿后掛A8鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)格尺寸150mm×150mm,然后復(fù)噴10cm C25早強(qiáng)混凝土。第三次混凝土噴射在初支鋼架與“V”字型鋼連接完畢后再噴射5cm C25早強(qiáng)混凝土,從而對(duì)圍巖形成封閉。

4.2 初期支護(hù)及空間桁架

初期支護(hù)采用14號(hào)工字鋼,拱部和仰拱部位閉合成環(huán),鋼架間設(shè)置縱向連接筋,間距為0.5m。

拱部鋼架與圍巖之間的空隙處采用與鋼架同型號(hào)的“V”字型鋼補(bǔ)充支撐,“V”字型鋼與圍巖之間應(yīng)增設(shè)墊板或支撐于錨桿墊板上,確保荷載傳遞路徑明確。縱向兩榀鋼架之間除設(shè)置縱向連接筋外,在“V”字型鋼部分增設(shè)與環(huán)形鋼架同型號(hào)斜向鋼支撐連接,形成空間桁架結(jié)構(gòu),“V”字型鋼支撐點(diǎn)間距不大于1m。支護(hù)桁架體系見圖4。

圖4 支護(hù)桁架體系

4.3 脫空回填

鋼架與圍巖間空腔采用輕骨料混凝土填充,空腔回填在下部仰拱及拱部環(huán)形鋼架和“V”字型鋼補(bǔ)充支撐施工結(jié)束后進(jìn)行,輕骨料混凝土應(yīng)用的配合比為:56kg水泥+112kg粉煤灰+1.16m3珍珠巖+0.4m3水,在回填內(nèi)部空腔前對(duì)初期支護(hù)設(shè)置臨時(shí)內(nèi)模板,以支撐輕骨料混凝土的回填,詳見圖5。

圖5 襯砌背后脫空回填

5 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)及健康監(jiān)測(cè)

5.1 圍巖加強(qiáng)

由于病害區(qū)域處在構(gòu)造斷裂帶上,且存在膨脹性圍巖,因此對(duì)圍巖的加強(qiáng)處治是重要的控制點(diǎn)。主要的控制手段為注漿加固,該方法在提高圍巖整體性的同時(shí),也進(jìn)一步增加了膨脹性圍巖吸水性,使其趨于飽和,限制后期吸水膨脹變形。

5.2 二次襯砌加強(qiáng)

隧道病害區(qū)域原設(shè)計(jì)為素混凝土結(jié)構(gòu),綜合病害特點(diǎn)及圍巖條件,對(duì)二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。(1)將素混凝土調(diào)整為鋼筋混凝土。環(huán)向配筋:C25@20(雙層),縱向配筋:C12@20(雙層)。(2)提高混凝土標(biāo)號(hào),將原設(shè)計(jì)C30混凝土調(diào)整為C35補(bǔ)償收縮混凝土,膨脹劑用量45kg/m3,采用補(bǔ)償收縮混凝土可有效限制新舊混凝土及施工部位的收縮效應(yīng)。(3)增加二襯設(shè)計(jì)厚度,將厚度由35cm增加到40cm,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。

結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí),襯砌環(huán)向主筋下方與仰拱植筋進(jìn)行雙面焊接,焊接長(zhǎng)度不小于5d,提高仰拱與襯砌的整體性,結(jié)構(gòu)拆換澆筑混凝土前,對(duì)新舊混凝土結(jié)合面進(jìn)行鑿毛處理,增強(qiáng)連接。

5.3 監(jiān)控布設(shè)

為進(jìn)一步論證處治效果,在上述措施的基礎(chǔ)上,增加對(duì)全斷面拆換段結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。增設(shè)錨桿軸力傳感器、圍巖壓力傳感器以及鋼架內(nèi)力傳感器用以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)反饋內(nèi)部壓力的變化,目前結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定,后期會(huì)進(jìn)一步跟蹤監(jiān)測(cè)。通過全面的拆換工藝,形成了維修、監(jiān)測(cè)以及后期養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的綜合治理體系。

6 結(jié)論

結(jié)合依托工程隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的病害特征、缺陷情況以及不良地質(zhì)條件,采用全斷面拆換的方式處治破損襯砌,提出以下處治思路及結(jié)論:

(1)提出了公路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌嚴(yán)重破損采用全斷面拆換的處治思路,并采取超前注漿支護(hù),分段拆除恢復(fù)以及機(jī)械切割的風(fēng)險(xiǎn)控制措施,降低擾動(dòng)及塌方風(fēng)險(xiǎn)。

(2)針對(duì)襯砌背后空洞,提出以錨桿網(wǎng)噴結(jié)合初支及內(nèi)部支撐的空間桁架系統(tǒng),并采用輕質(zhì)混凝土回填的處治措施,有效處理了內(nèi)部空腔。

(3)對(duì)于膨脹性圍巖的控制采用注漿飽和阻斷吸水及加強(qiáng)二襯結(jié)構(gòu)為核心的手段。

(4)對(duì)于隧道的遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)采取埋設(shè)傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以形成長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)。