秀寧隧道襯砌劣化病害整治施工技術(shù)研究

田偉權(quán)

(中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

1 概 述

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)深化,西部地區(qū)的鐵路交通建設也有了前所未有的發(fā)展,尤其是在鐵路隧道方面。如今的中國鐵路隧道約有半數(shù)以上分布在云、貴、川、陜4省,其中連接云、川兩省的成昆鐵路中隧道總延長共342 km,占線路總長1 096 km的31.2%。成昆鐵路在建設期間,面臨著環(huán)境工況復雜、隧道工程量多、技術(shù)難度大等特點,同時受限于當時勘察手段少、設計標準不高、施工工藝水平較低以及水文地質(zhì)的差異,線路內(nèi)一些隧道在運營期間出現(xiàn)了襯砌結(jié)構(gòu)的劣化病害,類型多見于襯砌空洞、開裂、掉塊以及滲漏水等,影響和威脅著鐵路運輸?shù)陌踩?、舒適和穩(wěn)定,降低了鐵路干線原有設計的運營級別,造成了無形的經(jīng)濟損失。

盡管現(xiàn)在工程行業(yè)中針對混凝土劣化病害的研究很多,但對既有隧道襯砌混凝土病害整治的研究卻并不多見,而且既有鐵路隧道多屬正常運營線路,所以其病害整治的研究除了消除缺陷外還要保證施工過程的快速和安全。因此,開展以隧道襯砌病害消缺為主要研究內(nèi)容,以消缺過程的快速、安全為重要研究方向的既有運營鐵路隧道襯砌劣化病害整治施工技術(shù)的研究是很有必要的。

2 工程概況

秀寧隧道是改建鐵路成昆線廣通至昆明段擴能改造工程中最長的隧道和重點控制性工程,起訖里程DK1013+153～DK1026+340,全長13 187 m,最大埋深535 m,類型為鐵路雙線隧道。隧道位于云南省楚雄自治州祿豐縣祿裱鎮(zhèn)莊科村附近。隧道工程地質(zhì)極為復雜,共穿越8條斷層、3處向斜、2處背斜,穿越3大富水區(qū),存在著斷層破碎帶、巖溶富水區(qū)、瓦斯及有害氣體、軟巖變形、滑坡、涌水等不良地質(zhì),其中單日最大涌水量更是高達14萬 m3。這不僅給隧道貫通施工帶來了非常大的技術(shù)難題,同時在隧道建成通車后依舊影響著隧道的使用安全和穩(wěn)定。

秀寧隧道于2007年10月28日正式開挖建設,于2013年3月30日全隧開挖貫通,并于同年12月27日正式通車。2016年12月至2018年1月,當?shù)芈肪止斩尾捎脧姽馐蛛娬丈溆^察、器具敲擊等檢測形式對秀寧隧道進行全覆蓋的安全質(zhì)量隱患排查,共發(fā)現(xiàn)隧道襯砌劣化病害4 972個,其中A+類(極嚴重)問題12個,A類(嚴重)問題71個,全隧道施工縫開裂、翹殼、掉塊病害1 089處,其他一般問題3 800個,過程中并未發(fā)現(xiàn)襯砌因劣化而產(chǎn)生較大的變形或位移現(xiàn)象,與原竣工資料或設計無較大偏差。所以當?shù)芈肪謱﹄[患總結(jié)研究后,決定由原施工單位在2個月之內(nèi)重新安排管理施工力量進駐現(xiàn)場進行秀寧隧道缺陷整治施工,并提供兩個天窗時間：下午12∶30～16∶30垂停(雙線停運),晚上20∶00～次日凌晨4∶00 V停(單線停運)。對于施工單位而言,該整治任務安排有著工程量大、施工組織困難、天窗時間利用效率低、工期形勢異常嚴峻等特點,必須制訂嚴密的施工組織和科學高效的施工方法。

3 隧道襯砌病害類型及其成因

根據(jù)現(xiàn)場排查情況,并結(jié)合相關(guān)文獻資料對隧道病害分類的有關(guān)統(tǒng)計和規(guī)定,秀寧隧道襯砌劣化缺陷主要包括3種表現(xiàn)類型：

3.1 襯砌背后脫空

隧道背后脫空病害的發(fā)生主要見于隧道拱頂,也會發(fā)生在側(cè)壁拱腰等部位。主要是由于施工工藝不科學以及施工過程控制不嚴謹?shù)仍蛟斐?如：1)隧道超挖回填施工不規(guī)范；2)襯砌施工中拱頂處混凝土灌注欠飽滿,振搗不夠密實；3)由于混凝土泵送壓力損失,隧道坡度等原因造成襯砌局部空洞；4)混凝土配合比不科學,水灰比偏大,導致工后收縮變形[1]。

3.2 襯砌裂損

隧道襯砌裂損的現(xiàn)場主要表現(xiàn)為襯砌混凝土裂縫、襯砌掉塊、施工縫抹面層開裂等。其中襯砌裂縫最為常見,襯砌裂縫一般按走向和與隧道軸線的相互關(guān)系,分為縱向、環(huán)向以及斜向裂縫。隧道襯砌裂損情況見圖1。

圖1 隧道襯砌裂縫

3.3 襯砌滲漏水

隧道襯砌滲漏水是隧道工程中最為多發(fā)的病害類型,根據(jù)滲漏水的流量和發(fā)生部位,通常分為點漏、縫漏(滲)、面漏(滲)以及濕漬等。隧道襯砌滲漏水的發(fā)生是由主客觀兩個方面相互作用的結(jié)果：客觀上是由于隧道穿越富水區(qū),并改變了水體流態(tài),導致水體易往隧道自由面匯集流動；主觀上是由于隧道設計與施工不當,例如在勘察設計上對隧道穿越地層的地下水情況所作調(diào)查研究不足,導致隧道防排水設計未滿足實際需求；施工上存在混凝土襯砌施工質(zhì)量差，防水層施工控制不足,以及混凝土施工縫、沉降縫等接縫處理不當?shù)?。隧道襯砌滲漏水情況見圖2。

圖2 襯砌滲漏水

4 隧道襯砌病害整治工藝及施工方法

4.1 襯砌脫空整治技術(shù)

根據(jù)秀寧隧道病害問題庫顯示,并結(jié)合現(xiàn)場復核,秀寧隧道襯砌脫空病害主要是由于二襯與初支之間的局部不連續(xù)所導致。于是決定對襯砌背后脫空病害采用速凝水泥砂漿進行二次襯砌背后注漿的方式進行填充補償,見圖3。其施工工藝流程為：確定缺陷參數(shù)→鑿眼、鉆孔→埋管、堵縫→制漿→注漿→檢查→清理現(xiàn)場。

圖3 二次襯砌背后注漿處治圖

主要施工要點為：

1)脫空區(qū)域參數(shù)核對 在病害整治施工前,須安排技術(shù)人員對照已有問題庫清單找到相應病害具體位置,利用鐵錘、鋼管等器具對標注空洞處進行敲擊檢查,必要時利用手持電鉆鉆孔進行脫空核對,以明確現(xiàn)場空洞的厚度、面積等參數(shù)。以便在有限的垂停時間內(nèi)開展施工,不至于盲目施工,耽誤施工時效[2]。

2)鑿眼、鉆孔 對襯砌脫空的注漿處治要求鉆孔數(shù)量不少于2個有效孔,其布孔規(guī)則應滿足在隧道環(huán)向上,注漿孔布置在空洞區(qū)域的較低處,排漿孔布置在較高處；在隧道軸向上考慮隧道縱坡的影響,應將注漿孔布置于脫空區(qū)域的下坡處,排漿孔布置于上坡處。

3)埋管、堵縫 按要求鉆孔完成后埋設φ32鍍鋅注漿鋼管,注漿鋼管與孔洞端頭縫隙采用膨脹水泥砂漿進行封堵。使用環(huán)氧樹脂進行注漿時,如果在空洞區(qū)域周圍存在襯砌裂縫或施工縫的,應對其先做處理或封堵,以免發(fā)生跑漿。

4)注漿 壓力應控制在0.2～0.5 MPa,注漿過程要盡量一次性完成,避免中途停頓。當發(fā)現(xiàn)排漿孔開始出漿后,調(diào)小注漿壓力至0.2 MPa,直至排漿孔再無空氣排出并出漿均勻,隨后關(guān)閉出漿孔閥門穩(wěn)壓后慢注3 min即可停止注漿。待注漿材料終凝后,采用砂輪機切割打磨外露鋼管后進行防銹處理。

5)檢查 在施工過程中現(xiàn)場技術(shù)人員應進行完整的注漿記錄,以供注漿后分析判斷注漿效果,必要時,鉆檢查孔進行注漿效果檢查。注漿施工確認無誤后,在注漿管處鑿出100 mm×100 mm×80 mm的楔形孔,將孔清洗干凈后使用φ4鋼筋進行植筋并采用膨脹水泥漿封堵注漿孔。

4.2 襯砌裂損整治技術(shù)

在秀寧隧道的襯砌裂損病害中,主要是襯砌裂縫、襯砌掉塊和施工縫抹面層開裂,其中后兩者的處理方式較為簡單,主要為人工或者風鎬鑿除松動,并配以角磨機打磨,再刷防炭化層收面即可。對于襯砌裂縫,其處治需要結(jié)合裂縫的成因、形態(tài)以及部位等情況,分類選擇表面封閉法或者低壓針筒注漿法進行處治[3]。

4.2.1 表面封閉法

裂縫寬度b<0.5 mm的細微裂縫,對襯砌的承載能力影響較小,可直接采用表面封閉法進行處治,工序流程為：裂縫表面清理→封閉裂縫→修面,整治方法見圖4。主要工藝為：

1)使用鋼刷或者小型角磨機將混凝土表面打毛,清除混凝土表面松散及附著物。

2)拌制環(huán)氧樹脂,并用細毛刷或粉刷滾筒刷抹裂縫表面,利用裂縫毛細作用吸收修補膠液,達到封閉裂縫的效果。

3)待環(huán)氧樹脂固結(jié)并發(fā)揮封閉作用后,使用水泥基刷補混凝土表面,使其顏色與周圍襯砌混凝土顏色一致。

圖4 襯砌裂縫(b<0.5 mm)表面封閉法處治剖面圖

4.2.2 低壓針筒注漿法

對于裂縫寬度0.5≤b<5 mm的一般裂縫,采用低壓針筒注漿法進行處治,主要注漿材料為環(huán)氧樹脂。

低壓針筒注漿法是一種不需要使用空壓機、手壓泵等配套設備,無需外接能源的裂縫修補技術(shù),施工器具僅由注漿嘴、注漿帽和注漿管組成,具有操作簡便、施工快捷、費用經(jīng)濟、滲透性好、效果可靠等優(yōu)點,非常適合功效要求高、修補工程量大的既有運營鐵路隧道襯砌裂縫的修補施工。工序流程為：裂縫表面清理→埋設注漿嘴→封縫并檢查密封性→制漿→注漿→清理表面,整治方法見圖5。其主要工藝為：

1)清理裂縫表面松散及附著物,并用風槍對吹裂縫以清除內(nèi)部的粉塵、浮渣；

2)使用封口膠將注漿嘴騎縫粘接固定在混凝土裂縫表面,間距以250 mm為宜；

3)拌制微膨脹速凝水泥漿,沿裂縫的全長涂抹進行封縫處理；

4)配置環(huán)氧樹脂并注入注漿管,安裝注漿帽、連接注漿管即可實現(xiàn)環(huán)氧樹脂的自動注入；

圖5 襯砌裂縫(0.5≤b<5 mm)化學注漿法處治圖

5)待注入裂縫的環(huán)氧樹脂固化后,拆除注射筒,清理注漿嘴,用砂紙或砂輪整平混凝土表面。

4.3 襯砌滲漏水整治技術(shù)

隧道滲漏水治理原則為：拱部堵排結(jié)合,綜合治理；邊墻以排為主,局部水量大的區(qū)域堵排結(jié)合；先拱后墻,先堵后排,循序進行[4]。根據(jù)秀寧隧道襯砌滲漏水病害問題庫反饋及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,其滲漏水形式可分為點漏、縫漏(滲)、面漏(滲)以及濕漬,不同的滲漏形式和滲漏部位決定了不同的方案設計,具體整治方案見表1。

表1 秀寧隧道襯砌滲漏水整治技術(shù)方案

5 既有線隧道襯砌病害整治施工臺架

既有運營鐵路線隧道襯砌病害的施工整治,存在著施工作業(yè)時間短、施工高度較高導致安全風險大及施工困難等問題,所以在保證病害整治方案的科學實用之外,再有一個具有安全可靠、安拆快捷、經(jīng)濟實用的施工臺架,將大幅度地提高既有鐵路線隧道病害整治施工的安全、質(zhì)量和效率。

秀寧隧道病害整治項目部針對隧道襯砌病害整治的作業(yè)環(huán)境,設計制作了一種專用的隧道襯砌病害整治施工臺架。該作業(yè)臺架具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、移動快捷、安全可靠、實用性強、有效加快施工進度等優(yōu)點,在秀寧隧道的病害整治實際應用中,尤其是在兩條回流線之間的拱頂區(qū)域的施工中,實現(xiàn)了拓展作業(yè)范圍,大幅提高作業(yè)效率等積極作用。施工臺架結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6 隧道襯砌病害處治施工臺架立面圖

6 結(jié) 語

本文結(jié)合既有鐵路運營線廣昆鐵路的秀寧隧道病害整治施工技術(shù)為研究背景,分別對襯砌背后脫空、襯砌裂損以及襯砌滲漏水等常見鐵路隧道病害整治技術(shù)進行了研究,分析了病害成因,以快捷、可靠為原則提出了不同類型的整治方案。與此同時,還針對隧道病害整治的復雜性特點設計了配套的施工作業(yè)臺架。為提高既有鐵路線隧道病害整治的效率和質(zhì)量提供了有效的技術(shù)理論支持,對今后同類型隧道病害整治施工具有一定的借鑒作用。