隧道襯砌粘貼W鋼帶加固方案設計及施工技術(shù)要點

趙銘偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隧道工程作為地下隱蔽的工程，具有很多方面的難度，如危險因素多、施工條件限制、地質(zhì)復雜多變、施工環(huán)境差和不可預見性強等，故隧道工程的安全性和技術(shù)難度都較大。常見的隧道病害有洞口病害、隧道排水系統(tǒng)不暢、襯砌裂縫和滲水以及隧道路面病害等[1-3]。隧道施工過程中，襯砌階段顯得尤為重要，隧道常見的事故發(fā)生原因調(diào)查中很大程度上都是由于襯砌設計不合理或者施工不規(guī)范造成的，施工不當對圍巖擾動較大，更容易造成坍塌等嚴重后果[4]。

1 工程概況

洛欒高速全長129.226 km，于2012年年底通車，設計速度為80 km/h，在K83+480標段處存在一隧道，該隧道采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)，且按照新奧法原理進行設計施工。據(jù)原始數(shù)據(jù)顯示，該隧道襯砌結(jié)構(gòu)設計主要以錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護為初期支護，二次支護措施采用模筑混凝土，二次襯砌采用C30素混凝土及C35（C30）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)合2015年隧道定期檢測和踏勘結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隧道存在數(shù)量較多的常規(guī)病害。具體來講，該隧道存在很多環(huán)向、縱向、斜向裂縫。其中左洞共有裂縫80條，裂縫在距進口100～200 m、400～500 m、700～800 m 段發(fā)育較集中，裂縫總長為428.8 m。其中環(huán)向裂縫50條，裂縫總長為258.1 m，單條裂縫最長為21 m，裂縫最寬為10 mm；縱向裂縫23條，裂縫總長為137.2 m，單條裂縫最長為12 m，裂縫最寬的地方長度為10 mm；而斜向裂縫一共有7條，其裂縫總長達到33.5 m，單條裂縫最長為8 m，裂縫最寬為1.2 mm。而在右洞共有裂縫121條，距進口0～300 m和400～700 m段裂縫的發(fā)育較為集中，裂縫總長為718.2 m。其中環(huán)向裂縫66條，裂縫總長為384.3 m，單條裂縫最長為21 m，裂縫最寬為2 mm；縱向裂縫25條，裂縫總長為208.5 m，單條裂縫最長為21 m，裂縫最寬為2 mm；斜向裂縫總長為125.4 m，共有30條，其中裂縫最寬的地方高達1.6 mm，最長的單條裂縫長為12 m。綜上檢查結(jié)果，這些病害暫時不會對結(jié)構(gòu)安全有很嚴重的影響，但是一定程度上會影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。為了保證高速公路橋梁與隧道安全運營，保證高速公路隧道的可靠性和耐久性，同時延長隧道的使用壽命，相關部門擬采用適合的加固襯砌方案進行處理，主要從隧道病害原因分析、加固方案設計、施工工藝和施工質(zhì)量控制等方面進行研究分析，以期對隧道襯砌加固相關問題起到一定借鑒作用和參考價值。

2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害原因分析

從病害調(diào)查結(jié)果可以看出，隧道襯砌的裂縫較為嚴重，要相對其進行有效的加固處理并選擇合理的加固方案，需要對其病害產(chǎn)生原因進行針對性分析，以期得到最佳的處理方案。據(jù)調(diào)查結(jié)果和原因分析，病害引起的主要是襯砌裂縫病害[5]，相應產(chǎn)生的原因分析如下：

a）局部段落襯砌厚度可能不足，或襯砌強度不足，承載能力下降，導致拱部縱向開裂。

b）襯砌厚度不均勻，且局部段落存在明顯的脫空、空洞、不密實等缺陷，導致襯砌受力不均，產(chǎn)生應力集中而開裂。

c）邊墻或隧底施工不規(guī)范，導致拱腳位置基礎穩(wěn)定性差，邊墻應力集中產(chǎn)生縱向、斜向裂縫。

d）在施工過程中，其質(zhì)量控制不夠精確和嚴格，尤其是混凝土的養(yǎng)護問題，常常養(yǎng)護不到位會產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

e）隧道防排水設施不完善，排水能力弱，導致襯砌背后積水，襯砌結(jié)構(gòu)承受較高水壓。同時襯砌會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，襯砌防水板存在不完整或搭接不良等缺陷；襯砌背后可能存在不密實區(qū)及空洞，易形成地下水匯集區(qū)。

3 加固方案設計

在采用加固方案設計的時候，對于襯砌加固采用的方案要具有較強可操作性，且與施工條件、施工材料及工藝密切聯(lián)系，襯砌加固補強要能夠盡可能地保持原來結(jié)構(gòu)的完整性。綜合該工程病害調(diào)查結(jié)果和原因分析以及相關規(guī)范要求，綜合業(yè)主單位、施工單位、設計單位相關專家和負責人的意見，最終決定采用粘貼鋼板（帶）的方法對隧道襯砌進行加固。

3.1 W鋼帶處治設計

襯砌的混凝土等級為C30，二次襯砌的厚度為25 cm。結(jié)合采用的處治設計要求、施工具體情況以及規(guī)范《礦用 W 型鋼帶》（MT/T861—2000）[6]，最終確定鋼帶的厚度為5 mm，寬度為25 cm，單片鋼帶有效截面積A=1 500 mm2，截面高度為25.5 mm，每環(huán)縱向間距100 cm。

在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼帶黏結(jié)為一體，再采用錨栓進行固定鋼帶。錨栓采用M16化學錨固螺栓，植入深度不小于16 cm。黏鋼膠抗沖擊剝離長度小于20 mm，快速濕熱老化時間為10 d，檢驗經(jīng)快速濕熱老化后的試件在常溫條件下鋼-鋼拉伸抗剪強度降低百分率不得大于8%。黏鋼膠應具備有資質(zhì)機構(gòu)認證的凍融循環(huán)報告，環(huán)保無毒報告。圖1為W鋼帶加固設計立面圖，其中A處的放大圖見圖2所示。表1為粘貼鋼帶（板）用膠黏劑基本性能指標；表2為錨固用膠黏劑主要性能指標。

圖1 W鋼帶加固立面圖（比例：1∶100）

圖 2 A 部大樣圖（比例：1∶10）

表1 粘貼鋼帶（板）用膠黏劑基本性能指標

表2 錨固用膠黏劑主要性能指標

3.2 處治后襯砌表面涂裝設計

為改善修復后隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面外觀，并消除因襯砌病害處治給人們造成的心理壓力，在對隧道襯砌病害進行處治后，應及時對處治位置襯砌表面進行美化。同時考慮到對處治效果的加固、封閉和補強作用，應采用聚合物改性水泥砂漿進行表面涂裝，使用前應先進行現(xiàn)場試驗[7]，要求涂裝后襯砌病害處治位置表面與周圍襯砌表面不出現(xiàn)明顯色差，涂裝范圍如下：

a）對襯砌裂縫，涂裝寬度取裂縫兩側(cè)各 10 cm，長度與裂縫同長。

b）對襯砌滲漏水，涂裝范圍比病害處治范圍每邊擴大15 cm。

c）對襯砌W鋼帶加固，涂裝范圍為襯砌全斷面，縱向涂裝長度與加固長度一致。

d）對襯砌鋼板加固，環(huán)向涂裝范圍取3.5 m。

聚合物改性水泥砂漿（如改性環(huán)氧類等）在應用前應確認有成功的類似工程使用經(jīng)驗，并進行現(xiàn)場試驗，選擇滿足施工要求的水泥砂漿。不得使用耐水性差的水溶性聚合物。除此之外，氯偏乳液和苯丙乳液等不能應用，前者會加速鋼筋的銹蝕，而后者會嚴重影響耐久性，同時這些液體也對人體有危害。

4 粘貼W鋼帶施工工藝

粘貼W鋼帶是加固效果影響的關鍵環(huán)節(jié)，主要包括基面的處理、W鋼帶制作以及粘貼W鋼帶3個方面。

4.1 基面處理

a）在粘貼鋼帶位置進行基面處理，基面應保證平整圓順，平整度不大于1.5 mm/m。清除襯砌表面范圍應滿足鋼帶固定范圍。

b）將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

c）鉆制錨栓預留孔。

4.2 W鋼帶制作

a）在鋼帶黏結(jié)面需要進行打磨，為了保持鋼帶黏結(jié)面具有一定的粗糙度，采用除銹機或噴砂沿著與鋼帶受力垂直的方向進行打磨，直到表面露出金屬的光澤為止；用脫脂棉沾丙酮將鋼帶表面擦拭干凈。

b）依據(jù)現(xiàn)場植埋的錨栓位置、間距，對固定的鋼帶進行配套打孔。

c）鋼帶外露面涂刷防腐底漆3道。

4.3 粘貼W鋼帶

4.3.1 粘貼W鋼帶工藝流程

鉆孔植埋全螺紋錨栓→配制結(jié)構(gòu)膠→襯砌表面及鋼帶涂刷膠黏劑→安裝W鋼帶→封邊→鋼帶表面防腐處理。

4.3.2 粘貼鋼帶的施工要點

a）鉆孔植埋錨栓。

（a）依照設計圖紙的要求，放出需鉆孔的位置。

（b）應采用與錨栓直徑配套的鉆頭進行鉆孔。

（c）在鉆孔過程中要保持干燥，同時應該清理得非常干凈，不能出現(xiàn)油污。

（d）植錨栓的施工按照中華人民共和國國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB 50367—2013）[8]的相關規(guī)定執(zhí)行。

b）配制結(jié)構(gòu)膠 按照供應商提供的產(chǎn)品說明書要求配制結(jié)構(gòu)膠，在制備時攪拌要均勻，采用低速的攪拌器即可，同時在適用期內(nèi)將結(jié)構(gòu)膠使用完。按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB 50367—2013）[8]的要求，采用的膠黏劑應該在耐久性和力學指標方面滿足規(guī)定的要求。

c）涂刷膠黏劑 涂刷膠黏劑前應對襯砌表面進行基面處理，保證粘貼面堅實干燥，對表面缺損處及不平整處采用改性環(huán)氧砂漿進行找平處理?；嫣幚硗瓿珊?，在襯砌表面及鋼帶均勻地涂刷膠黏劑，膠黏劑的膠層應有足夠的厚度。

d）安裝鋼帶 將鋼帶固定在錨栓上，通過錨栓將鋼板刷膠面密貼在已涂刷膠黏劑的基面上，鋼板與襯砌應密貼，應避免局部脫空。鋼帶分段處采用平口焊接連接，再用長60 cm的W接頭鋼帶進行搭接，接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用錨栓固定，并用黏鋼膠黏結(jié)。

e）鋼帶表面防腐處理 在清除存在于鋼帶表面的污垢之前，需要檢查鋼帶粘貼固化密實效果，確認其可靠后進行下一步。對安裝過程中造成的底漆破損進行補漆，再在鋼帶外露面涂刷面漆4道。

f）處治進行鋼帶分段時，鋼帶連接采用平口焊接，再用長60 cm的W接頭鋼帶進行搭接，接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用錨栓固定，并用黏鋼膠黏結(jié)。

5 施工質(zhì)量控制要點

5.1 質(zhì)量控制

鋼帶（板）外觀平整、圓順，膠體應固化，錨固應牢靠。鋼板尺寸、厚度、防腐處理，錨栓間距應滿足設計要求，膠層應均勻，無局部過厚、過薄現(xiàn)象。除此之外，粘貼鋼帶（板）加固施工質(zhì)量控制應符合表3所示的要求[9]。

表3 粘貼鋼帶（板）加固施工質(zhì)量控制

5.2 注意事項

在整個治理期間及實施完成后，均應進行適當結(jié)構(gòu)狀況觀測工作，通過觀測裂縫、滲漏水、襯砌剝落等特征變化，及時反饋信息以修正設計和采取應急措施，保證結(jié)構(gòu)安全。需要著重關注以下幾點施工注意事項：

a）由于襯砌裂縫的產(chǎn)生與排水也有很大的關系，故在所有施工過程之前，需要對隧道端洞頂破損或下陷的病害進行處理，解決由于洞頂排水溝的“中間低、兩頭高”而產(chǎn)生的排水不暢問題。必要的情況下，需要對端口頂端排水溝進行全部拆除和重新建造以達到有效排水的目的，具體注意以下幾點。

（a）拆除現(xiàn)有洞頂排水溝，開挖回填層，并按1∶0.5進行放坡，滿足新建洞頂排水溝設置要求。

（b）對排水溝基底進行人工夯實，且表層壓實度不小于92%。

（c）在原位緊挨洞門墻處新建M7.5漿砌片石排水溝。

（d）用黏土分層回填排水溝與開挖輪廓線之間的空隙，要求每層回填厚度不大于25 cm、壓實度不低于92%，施工后應保證洞頂回填縱坡為1∶10，確保坡面水能順暢流入洞頂排水溝。

b）為了提高黏結(jié)膠黏合固化效果，針對隧道內(nèi)二次襯砌露筋病害進行處治時，先進行基面處理后用聚合物水泥砂漿封閉襯砌露筋處及其周邊5 cm范圍襯砌。

c）膠黏劑儲存與使用過程中應按材料使用說明，做好防火措施，禁止使用明火或攜帶火種接近。

d）為了提高黏結(jié)效果，應及時將黏鋼混凝土表面清理干凈，并在鋼帶抹膠表面進行無污染和無粉塵的清理，露出混凝土表面。鋼帶（板）是根據(jù)隧道內(nèi)輪廓標準斷面設計，實際斷面與標準斷面有差異時，結(jié)合現(xiàn)場情況調(diào)整。

e）施工過程應精細施工，加強對襯砌結(jié)構(gòu)的觀察，如有異常及時查明原因才可繼續(xù)施工，避免對襯砌造成損傷。值得注意的是，在采用植筋方式時，不能夠?qū)⒛z黏劑直接涂抹在鋼筋上。

6 結(jié)論

為了保證高速公路橋梁與隧道安全運營，保證高速公路隧道的可靠性和耐久性，延長隧道的使用壽命，相關部門擬采用適合的加固襯砌方案進行處理，主要從隧道病害原因分析、加固方案設計、施工工藝和施工質(zhì)量控制等方面進行研究分析，以期為隧道襯砌加固相關問題起到一定借鑒作用和參考價值。