運(yùn)營(yíng)鐵路隧道襯砌施工冷縫缺陷綜合整治技術(shù)

王 芳 張 磊 邸 成

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，隧道病害問(wèn)題日益突出。受施工條件和運(yùn)營(yíng)環(huán)境等因素的影響，一些隧道在投入運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)襯砌開(kāi)裂、滲透水、背后空洞和鋼筋腐蝕等病害，給列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。針對(duì)不同的隧道病害，需根據(jù)成因采取對(duì)應(yīng)的整治方案，同時(shí)應(yīng)考慮施工周期、成本以及隧道凈空等因素。套襯加固是目前整治高速鐵路隧道病害的有效方案，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)套襯加固方案已進(jìn)行了一定的研究，廖岳泰[1]從適用條件、施工難度、加固效果和經(jīng)濟(jì)效益等方面對(duì)輕軌套襯與掛網(wǎng)噴混凝土加固方案在運(yùn)營(yíng)公路隧道的整治方面進(jìn)行了對(duì)比；王蓉蓉[2]對(duì)大連華昌變電站電纜隧道的病害成因進(jìn)行分析，介紹了加設(shè)鋼筋混凝土內(nèi)襯的整治方案；趙學(xué)軍[3]研究了鋼拱架套襯補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在蘭海高速新七道梁隧道襯砌加固中的應(yīng)用效果；李俊儒[4]分析了保溫鋼波紋板套襯整治季凍區(qū)既有隧道凍害的效果；張麒龍[5]探討了鋼筋混凝土二次套襯在引入大秦工程盤(pán)道嶺隧洞的應(yīng)用；陳望祺[6]采用數(shù)值模擬方法分析了波紋鋼板套襯解決隧道襯砌掉落病害的效果等。本文依托某運(yùn)營(yíng)鐵路隧道冷縫病害整治案例，對(duì)鋼筋混凝土套襯加固的方案設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為今后類(lèi)似隧道病害整治工程提供借鑒。

1 概況

1.1 工程概況

某運(yùn)營(yíng)鐵路隧道為單洞雙線(xiàn)隧道，設(shè)計(jì)速度 250 km/h，凈空有效面積為92 m2。下伏巖層為寒武系清溪組下段(∈q1)砂巖夾頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，區(qū)內(nèi)有1條區(qū)域性斷層與隧道并行通過(guò)，為正斷層，位于隧道右側(cè)，傾向右側(cè)，隧道在斷層下盤(pán)通過(guò)，斷層距隧道最近處位于進(jìn)口端附近，進(jìn)入洞身后漸漸遠(yuǎn)離，但受構(gòu)造影響后，巖體較為破碎，完整性較差。整個(gè)隧道均以砂巖為主，為富水性中等地段，雨期最大涌水量為 40 000 m3/d。

1.2 病害類(lèi)型及原因分析

運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)某段襯砌發(fā)現(xiàn)2道冷縫，分別位于拱頂及邊墻部分，縫內(nèi)滲漏水現(xiàn)象嚴(yán)重且伴隨水溝結(jié)晶堵塞，危及行車(chē)安全。冷縫的形成一般為施工過(guò)程中由于澆筑中斷，前面澆筑混凝土已經(jīng)初凝，但現(xiàn)場(chǎng)未采取相應(yīng)的處理措施就進(jìn)行后澆筑混凝土的灌筑，導(dǎo)致前后混凝土連接處出現(xiàn)一道軟弱的結(jié)合面。廣西地區(qū)降雨量豐富，4～10月均為雨季，該隧道位于富水砂巖地段，受構(gòu)造影響，地下水沿薄弱環(huán)節(jié)施工縫及冷縫滲出。

該隧道以砂巖、頁(yè)巖為主，非巖溶隧道，病害原因可能與隧道施工過(guò)程中的噴混凝土、二襯混凝土、外加劑等不完全反應(yīng)物有關(guān)?；炷潦撬淼澜Y(jié)構(gòu)的主要受壓材料，冷縫對(duì)于混凝土本身的承載能力產(chǎn)生了負(fù)面的影響，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性和使用年限等也十分的不利，對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成較大隱患，尤其在地下水等不利因素耦合作用下，易產(chǎn)生掉塊風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 整治方案選擇

考慮天窗時(shí)間的施工安全、錨桿的耐久性及對(duì)防水層的破壞，施工應(yīng)避免大拆大建，故病害整治采用臨時(shí)鋼架加固+永久套襯補(bǔ)強(qiáng)的永臨結(jié)合方案，同時(shí)增設(shè)排水措施。具體為不拆除原有襯砌劣化構(gòu)件，而利用限界內(nèi)富裕的工程技術(shù)作業(yè)空間再施作一層鋼筋混凝土襯砌補(bǔ)強(qiáng)。采取套襯整治方案需要對(duì)病害段落圍巖級(jí)別與設(shè)計(jì)判定一致性、二次襯砌混凝土強(qiáng)度、耐久性、抗?jié)B性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求等基本條件進(jìn)行確認(rèn)。

2 病害整治方案與施工

2.1 限界核對(duì)

施作套襯方案的前提為限界內(nèi)有富裕的空間，按隧道建筑限界對(duì)既有襯砌內(nèi)輪廓進(jìn)行核實(shí)，該隧道襯砌內(nèi)輪廓有效凈空面積為92 m2，凈空核查如圖1所示。

圖1 隧道限界核實(shí)圖(cm)

根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]條文解釋“救援通道地面以上的隧道襯砌內(nèi)輪廓內(nèi)側(cè)預(yù)留30 cm空間，用于設(shè)備安裝或加強(qiáng)襯砌以及安裝降噪聲護(hù)墻板，該部分空間亦稱(chēng)為工程技術(shù)作業(yè)空間。工程技術(shù)作業(yè)空間在安全空間和救援通道之外，該空間允許在有限長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置一些設(shè)備”。本次病害整治后限界內(nèi)輪廓內(nèi)軌以上凈空斷面積為86.8 m2。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)現(xiàn)有襯砌的凈空核對(duì)，現(xiàn)有襯砌凈空滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 臨時(shí)鋼架加固

為防止排查及整治期間拱部襯砌開(kāi)裂、混凝土剝落影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，采用臨時(shí)鋼架加固的措施，鋼架可作為鋼骨架置于套襯中，實(shí)現(xiàn)永臨措施相結(jié)合。

鋼架縱向間距1 m，型鋼鋼架可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整單元長(zhǎng)度及接頭位置。鋼架與原二襯混凝土采用“兩側(cè)錨固扣件+化學(xué)錨栓”的方式將鋼架錨固于二襯混凝土，“兩側(cè)錨固扣件+化學(xué)錨栓”環(huán)向間距1.2 m，施工中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，化學(xué)錨栓應(yīng)按相關(guān)要求進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)。為保證鋼架基礎(chǔ)及套襯混凝土基礎(chǔ)穩(wěn)固，需對(duì)既有二襯混凝土進(jìn)行局部鑿槽。

2.3 永久套襯補(bǔ)強(qiáng)

通過(guò)對(duì)病害段落邊界條件確認(rèn)，限界、襯砌厚度及強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可實(shí)施套襯方案。

套襯采用自密實(shí)鋼筋混凝土，混凝土厚度25 cm，混凝土強(qiáng)度不低于既有襯砌混凝土強(qiáng)度，且不低于C35。套襯設(shè)置雙層鋼筋，采用構(gòu)造配筋，主筋間距 20 cm，套襯結(jié)構(gòu)如圖2所示。為保證套襯邊墻腳穩(wěn)固，可對(duì)既有襯砌進(jìn)行局部鑿除。對(duì)不滿(mǎn)足接觸網(wǎng)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)要求的部分，應(yīng)優(yōu)先考慮遷改電化設(shè)施，特殊情況可局部預(yù)留孔洞，如圖3所示。

圖2 套襯結(jié)構(gòu)示意圖(cm)

圖3 邊墻局部鑿除示意圖

2.3.1 與既有襯砌的連接

在邊墻腳與既有襯砌連接處，套襯主筋應(yīng)伸入既有襯砌，主筋伸入長(zhǎng)度按接茬鋼筋設(shè)計(jì)，伸入長(zhǎng)度不小于30 cm，新舊混凝土連接如圖4所示。

圖4 新舊混凝土連接圖

為保證襯砌套襯與既有襯砌的整體連接，共同受力，對(duì)既有二襯混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理，鑿毛深度 20 mm。鑿毛后，原有襯砌植入F18定位鋼筋釬釘，釬釘長(zhǎng)40 cm，釬釘間距0.5 m×0.5 m(環(huán)向×縱向)，交錯(cuò)布置，伸入原有襯砌內(nèi)20 cm，不得打穿防水板，并涂抹植筋膠，如圖5所示。

圖5 釬釘設(shè)計(jì)圖(cm)

2.3.2 套襯澆筑

套襯是對(duì)既有襯砌結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)，因此套襯澆筑前須對(duì)襯砌病害進(jìn)行處理，盡量恢復(fù)既有襯砌的完整性和承載能力，套襯施工過(guò)程中可結(jié)合應(yīng)急方案采用的鋼架作為立模臨時(shí)支架。套襯盡量一次性澆筑，若需設(shè)置接縫，接縫不能置于隧道拱部，并應(yīng)做好接縫處理。套襯混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)襯砌拱頂進(jìn)行充填注漿，防止拱頂脫空。

2.3.3 套襯施工縫處理

套襯施工縫的設(shè)置應(yīng)結(jié)合洞內(nèi)運(yùn)輸距離、天窗時(shí)間、施工設(shè)備等由施工單位綜合確定。拱墻應(yīng)一次灌注，不留縱向施工縫，特殊情況下產(chǎn)生的施工接縫，應(yīng)按混凝土施工縫相關(guān)要求進(jìn)行鑿毛、涂刷界面劑處理。施工縫應(yīng)按要求設(shè)置防排水措施。

3 防排水措施

既有隧道有漏水時(shí)，應(yīng)查明水源、漏水位置及漏水量，查閱原防水、排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收資料，遵循“防、堵、截、排、因地制宜、綜合治理”的原則進(jìn)行整治。東坡山隧道滲漏水表現(xiàn)為冷縫滲漏水及邊墻排水管堵塞，采用襯砌本體注漿、集中出水點(diǎn)鑿槽引排及增設(shè)邊墻防結(jié)晶大直徑泄水孔的綜合整治方案。

3.1 裂縫本體注漿

注漿管鉆孔宜交叉布置在裂縫兩側(cè)，鉆斜孔穿過(guò)裂縫，不得打破防水層。鉆孔間距宜為20～30 cm，斜孔傾角宜為45°～60°。裂縫兩側(cè)各20 cm范圍涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，如圖6所示。

圖6 注漿管示意圖

注漿管埋設(shè)封縫固定，其外露部分長(zhǎng)8～10 cm，以便與注漿設(shè)備之管路連接。待封縫材料固結(jié)后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢查，滲漏水只能從注漿管內(nèi)流出，其他部位不得有滲水現(xiàn)象，否則應(yīng)重新封埋或采用涂刷環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行補(bǔ)救，待達(dá)到質(zhì)量要求后，方可進(jìn)行下步作業(yè)。

封縫材料達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，以檢查封縫質(zhì)量及固管強(qiáng)度，疏通裂縫，確定壓漿參數(shù)。

漿液采用環(huán)氧樹(shù)脂漿液，注漿前對(duì)整個(gè)注漿系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，在注漿機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)正常，管路暢通的條件下，方可注漿。注漿壓力為0.3～0.4 MPa，在正常情況下，一般注漿壓力不超過(guò)壓水試驗(yàn)。點(diǎn)漏注漿應(yīng)先注漏水量較小者，后注較大者。垂直裂縫、施工縫應(yīng)由下向上依次注漿；水平或斜裂縫由水量較小端向較大端依次注漿。結(jié)束注漿后，用鐵絲將注漿管外露部分反轉(zhuǎn)綁扎，待漿液終凝后，割除外露部分，再以封縫材料將孔口補(bǔ)平抹光。

3.2 鑿槽埋管

裂縫經(jīng)襯砌內(nèi)部注漿，滲漏水集中于一點(diǎn)，形成一處線(xiàn)流、股流時(shí)，應(yīng)進(jìn)行引排。利用剖開(kāi)的PVC管作為引排水通道，鑿槽應(yīng)正對(duì)出水點(diǎn)，應(yīng)盡可能通過(guò)較多的出水點(diǎn)或鉆孔引流點(diǎn)，鑿槽完畢應(yīng)用高壓風(fēng)、水清洗槽身，清除虛碴后安裝PVC管，用環(huán)氧砂漿填實(shí)壓漿，24 h后即可用環(huán)氧砂漿抹平封槽。

3.3 防結(jié)晶大直徑泄水孔

襯砌背后縱環(huán)向盲管堵塞，將引起排水不暢，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成水壓聚增，引起襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)事故，所以及時(shí)疏通排水管在運(yùn)營(yíng)維護(hù)中十分重要。疏通困難時(shí)，可增設(shè)新的泄水孔。本次整治采用增設(shè)防結(jié)晶大直徑泄水孔的方案。

在溝槽底部設(shè)大直徑泄水孔，管徑采用150 mm，泄水孔縱向沿邊墻兩側(cè)設(shè)置，內(nèi)設(shè)排水盲管。泄水孔縱向間距2～4 m，原則上應(yīng)遠(yuǎn)離施工縫不小于1 m。泄水孔實(shí)施完成后，為避免側(cè)溝水通過(guò)側(cè)溝壁孔洞溢出，工后采取C30微膨脹細(xì)石混凝土回填密實(shí)。泄水孔示意如圖7所示。

圖7 增設(shè)大直徑泄水孔示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隧道工程屬于半隱蔽工程，襯砌結(jié)構(gòu)所處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，同時(shí)受建筑材料耐久性及施工工藝等影響，隧道病害難以避免。隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)中應(yīng)避免素混凝土拱部的病害如脫空、防水板切割及冷縫等的發(fā)生。工程實(shí)踐證明套襯方案是目前高速鐵路隧道避免大拆大建的病害整治的有效措施之一，方案合理，可操作性強(qiáng)，對(duì)維護(hù)運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)安全起到了重要的作用。