硬巖隧道二襯拱頂脫空原因分析及整治措施研究

劉文俊

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.5萬(wàn)km，其中，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座，總長(zhǎng)約19 630 km[1]。越來(lái)越多的隧道進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)階段，其中因襯砌脫空導(dǎo)致的隧道質(zhì)量問(wèn)題也逐漸顯露。隨著施工技術(shù)的不斷提高，隧道一次襯砌脫空的問(wèn)題已經(jīng)得到了有效的控制，然而由于多種因素的影響，二襯脫空問(wèn)題始終沒(méi)有得到很好的解決。二襯空洞的存在，既是二襯厚度減少的體現(xiàn)，還削弱了襯砌與圍巖間的相互作用，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承載力降低，極大威脅了工程質(zhì)量及人員安全。

目前有不少學(xué)者從不同的方面對(duì)二襯空洞進(jìn)行了深入研究:袁成海、郭海鵬等[2－3]對(duì)空洞成因進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為混凝土的自收縮、施工質(zhì)量及施工工藝等是二襯空洞形式的主要原因；趙陽(yáng)川、楊文平等[4－5]則從施工及管理的角度對(duì)二襯空洞的預(yù)防措施進(jìn)行了探討；對(duì)于既有運(yùn)營(yíng)隧道出現(xiàn)的襯砌空洞，傅鶴林等[6]采用荷載結(jié)構(gòu)法及平面有限元對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析，指出襯砌脫空對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性影響較小，主要影響的是襯砌結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面的百分比。

雖然目前對(duì)襯砌空洞的研究取得了一定成果，但空洞對(duì)襯砌的影響與圍巖條件、隧道斷面大小、埋深等多種因素有關(guān)，對(duì)硬巖隧道中二襯拱頂空洞的危害及整治措施開(kāi)展針對(duì)性研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文以廈深鐵路梅林隧道為例，分析了花崗巖地層復(fù)合式襯砌中拱頂二襯空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，并提出了相應(yīng)的整治措施，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

廈深鐵路梅林隧道全長(zhǎng)8 646.28 m，為客專雙線隧道，位于深圳市龍崗區(qū)布吉鎮(zhèn)境內(nèi)。隧道襯砌空洞病害處的洞身圍巖為花崗巖，弱風(fēng)化，屬于Ⅱ級(jí)圍巖地段，埋深約100 m。梅林隧道為復(fù)合式襯砌隧道，初期支護(hù)為5 cm厚C25素噴混凝土，二次襯砌拱墻為35 cm厚C30素混凝土。

為更好地掌握襯砌脫空大小及位置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了鉆孔探測(cè)，共鉆孔14個(gè)點(diǎn)，以K2＋500拱頂中心為原點(diǎn)，以線路法線方向?yàn)閄軸，以隧道拱頂縱向中心線為Y軸，將鉆孔勘測(cè)情況用二維展開(kāi)的內(nèi)襯面表示，如圖1所示。結(jié)果表明二襯空洞位于隧道兩線間正拱頂，范圍為環(huán)向170～280 cm，縱向長(zhǎng)度為900 cm，呈梯形分布，最大空洞厚度21 cm，范圍如圖2所示。對(duì)隧道空洞處混凝土的表觀情況、二襯及圍巖強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查及測(cè)試，結(jié)果如下:鉆孔處襯砌混凝土密實(shí)，表層無(wú)裂紋，二次襯砌處于穩(wěn)定狀態(tài)；空洞處二次襯砌芯樣平均抗壓強(qiáng)度為38.2 MPa，符合要求；圍巖芯樣平均抗壓強(qiáng)度為41.5 MPa，強(qiáng)度較高且內(nèi)部無(wú)水。

圖1 鉆孔位置及結(jié)果

圖2 空洞分布范圍示意

3 襯砌脫空原因及危害

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)二襯脫空情況及工程地質(zhì)條件，以梅林隧道為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)硬巖隧道拱頂二襯脫空產(chǎn)生的原因及危害進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

3.1 脫空原因分析

(1)混凝土自身原因

混凝土受空氣濕度、溫度等各種因素的影響會(huì)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，在隧道二襯中就會(huì)表現(xiàn)為一定程度的脫空，使用補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行二襯灌注會(huì)緩解這一情況；二襯澆筑完成后在自重作用下一方面會(huì)使自身更加密實(shí)，另一方面會(huì)將原來(lái)沒(méi)有填充到的局部位置進(jìn)行填充，由此造成“混凝土供應(yīng)量不足”，導(dǎo)致發(fā)生拱頂脫空。

(2)設(shè)備原因

在襯砌澆筑過(guò)程中泵送至拱頂?shù)膲毫Σ蛔?，致使拱頂離泵送設(shè)備較遠(yuǎn)處的位置混凝土泵送不到，造成拱頂脫空；泵送孔的噴射角度大多與隧道輪廓垂直，此時(shí)混凝土從管內(nèi)進(jìn)入模板時(shí)流動(dòng)方向需改變90°，喪失了一部分混凝土的動(dòng)能，由此帶來(lái)的壓力損失導(dǎo)致襯砌遠(yuǎn)端脫空；附著式振搗器數(shù)量不足，致使某些位置的混凝土振搗不到位，而后混凝土在自重作用下下沉，造成拱頂脫空；二襯模板臺(tái)車的擋頭板封堵不嚴(yán)密，從而發(fā)生漏漿，造成二次襯砌背后混凝土厚度不足及脫空。

(3)環(huán)境原因

隧道坡度較陡時(shí)，位置較高一側(cè)混凝土較其他位置所需灌注壓力大，該位置處灌注的混凝土不易密實(shí)，進(jìn)而發(fā)生脫空；襯砌拱部未設(shè)置排氣孔或預(yù)留排氣孔堵塞失效，內(nèi)部形成氣囊，導(dǎo)致混凝土無(wú)法充填飽滿，在拱部形成空洞。

3.2 脫空危害分析

襯砌混凝土脫空會(huì)造成截面承載力降低、改變受力狀態(tài)及其他附加危害[7－8]，在這些危害的耦合作用下，隧道的服役狀態(tài)將受到影響，運(yùn)營(yíng)管理成本將會(huì)提高，同時(shí)隧道的使用壽命也會(huì)降低。

4 分級(jí)整治措施

為預(yù)防拱頂脫空產(chǎn)生的一系列病害，保證隧道正常服役狀態(tài)，除了在施工階段采取一定的措施預(yù)防空洞的產(chǎn)生外，還需要對(duì)既有脫空病害的隧道采取合理的整治措施。目前對(duì)隧道脫空的整治措施包括:回填壓漿[9]，使支護(hù)結(jié)構(gòu)之間接觸密貼的同時(shí)還可達(dá)到加厚襯砌的效果；內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)，采用纖維板或鋼板進(jìn)行粘著，分擔(dān)內(nèi)表面拉應(yīng)力控制襯砌開(kāi)裂；施加內(nèi)襯或鋼拱架，該法可承擔(dān)部分地壓力，但應(yīng)用的前提是隧道有足夠的凈空；打設(shè)錨桿改善襯砌的受力狀態(tài)；對(duì)富水隧道采取降水輔助措施改善襯砌周邊環(huán)境；局部改建或者全斷面改建。

以往隧道脫空整治往往根據(jù)襯砌表觀狀態(tài)選擇整治措施，有較強(qiáng)的主觀性，沒(méi)有對(duì)不同的圍巖情況做區(qū)分，而不同的圍巖條件下隧道二襯的受力狀態(tài)往往差別很大。對(duì)此，本文按照安全、經(jīng)濟(jì)的原則，對(duì)硬巖隧道二襯不同脫空程度進(jìn)行量化表征，并采取不同的整治措施?？斩吹纳疃群蛯挾榷紝?duì)襯砌安全性有影響，但對(duì)于硬巖隧道拱頂二襯脫空，空腔深度大的地方往往其寬度也大，空洞的深度與寬度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此為了方便可僅采用空腔深度作為脫空程度指標(biāo)?？紤]到襯砌厚度有大有小，為使整治措施更具通用性，采用空腔深度與襯砌厚度的比值作為最終的脫空程度量化指標(biāo)，進(jìn)而提出針對(duì)性的整治措施。具體整治原則及措施如表1所示，其中針對(duì)大修的施工如圖3所示。

圖3 大修處理措施示意

表1 硬巖隧道拱頂襯砌脫空程度分級(jí)及整治措施

(1)小修措施

對(duì)襯砌脫空程度較小的部位，鉆孔形成灌注孔道，預(yù)埋管長(zhǎng)度據(jù)脫空程度而定，襯砌內(nèi)部預(yù)埋管抵至距離防水板1～2 cm位置，每層單側(cè)鉆孔2個(gè)，低孔作為注漿孔，高孔作為排氣和觀察孔，在灌注前采用竹膠板將開(kāi)口封堵，加固方式同襯砌加固。灌注材料采用微膨脹C30細(xì)石混凝土，流動(dòng)性好，能充分澆滿空洞部位并避免體積收縮引起的二次脫空。當(dāng)溢漿孔溢出與灌注同配比混凝土?xí)r，即可結(jié)束該孔注漿。

(2)中修措施

脫空區(qū)域范圍內(nèi)打φ22全長(zhǎng)固結(jié)型錨桿，錨桿長(zhǎng)5.0 m，間距0.8 m，錨桿應(yīng)注漿飽滿。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整錨桿方向，避免錨桿孔正對(duì)接觸網(wǎng)線和其他管線。

鉆孔形成灌注孔道，每層單側(cè)鉆孔2個(gè)，低孔作為注漿孔，高孔作為排氣和觀察孔，在灌注前采用竹膠板將開(kāi)口封堵。灌注材料采用微膨脹C30細(xì)石混凝土，當(dāng)溢漿孔溢出與灌注同配比混凝土?xí)r，即可結(jié)束該孔注漿。

(3)大修措施

對(duì)嚴(yán)重脫空段襯砌范圍四周外側(cè)打設(shè)φ22全長(zhǎng)錨固型補(bǔ)強(qiáng)錨桿，錨桿長(zhǎng)5.0 m，間距0.8 m，錨桿應(yīng)注漿飽滿，錨桿與防水板間采用遇水膨脹止水膠進(jìn)行封閉。鑿除脫空部位二襯混凝土，形成“天窗”，并清除虛渣、浮石，鑿除面呈倒楔形，對(duì)環(huán)向施工縫處的既有混凝土面進(jìn)行鑿毛處理。

鑿除脫空段混凝土后，在空洞四周襯砌斷面上打設(shè)植筋孔，采用φ22鋼筋進(jìn)行植筋，鋼筋安裝后在植筋孔內(nèi)灌注砂漿進(jìn)行錨固。脫空區(qū)域范圍內(nèi)打φ22全長(zhǎng)固結(jié)型錨桿，錨桿長(zhǎng)5.0 m，間距0.8 m，錨桿應(yīng)注漿飽滿。錨桿與防水板間采用遇水膨脹止水膠進(jìn)行封閉，施作順序?yàn)橄葍蓚?cè)后中間，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整錨桿方向，避免錨桿孔正對(duì)接觸網(wǎng)線和其他管線。

錨桿端頭槽在錨桿抗拔力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用膨脹水泥砂漿回填，與原襯砌面打磨平整，錨桿端頭通過(guò)螺母與墊板連接，焊縫高度不小于10 mm；補(bǔ)強(qiáng)錨桿完成后，進(jìn)行模筑混凝土作業(yè)，宜采用微膨脹C30細(xì)石混凝土，流動(dòng)性好，能充分澆滿空洞部位并避免體積收縮引起的二次脫空；施作完成后對(duì)襯砌內(nèi)表面打磨光滑，內(nèi)表面施作滲透性結(jié)晶防水涂料。

5 整治措施的力學(xué)驗(yàn)證

結(jié)合梅林隧道3個(gè)典型斷面的拱頂二襯脫空整治實(shí)例，針對(duì)第4章提出的分級(jí)整治措施[10]，采用地層結(jié)構(gòu)法利用有限元軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證。3個(gè)實(shí)例所對(duì)應(yīng)的工況如下:工況一空洞深度7 cm，小修；工況二空洞深度9 cm，中修；工況三空洞深度21 cm，大修。

5.1 三維計(jì)算模型

(1)模型尺寸及約束條件

模型二襯尺寸及空洞位置如圖4所示。隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)在距開(kāi)挖區(qū)域3～5倍洞跨處產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)，因此為消除邊界條件影響，模型橫向?qū)挾热?20 m，豎直長(zhǎng)度往隧底下取60 m、向上取距離拱頂50 m、外加1.25 MPa豎向應(yīng)力(該計(jì)算模型取埋深100 m)。模型底邊采用固支約束，左右兩邊采用橫向位移約束，上邊為自由面，不施加約束。計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 二襯輪廓及空洞位

圖5 邊界條件及模型范圍示意

(2)計(jì)算參數(shù)

模型中的圍巖、初支及二襯均采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬，錨桿采用cable單元模擬。其中圍巖采用彈塑性材料，滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性材料。計(jì)算中力學(xué)材料參數(shù)以鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范取值為依據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取芯強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，具體參數(shù)見(jiàn)表2。網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖6。

圖6 模型網(wǎng)格劃分

表2 計(jì)算參數(shù)的選取

5.2 計(jì)算結(jié)果

采用平面應(yīng)變單元模擬的二襯可以很方便地獲取應(yīng)力云圖，但是對(duì)于襯砌的軸力及彎矩?zé)o法直接獲取。為此，先提取出單元的豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力，進(jìn)而根據(jù)平截面假定得到截面處的內(nèi)力分布情況，最后利用材料力學(xué)公式進(jìn)行獲取[11]。使用處理措施后的各工況內(nèi)力如圖7所示，因?yàn)閮?nèi)力對(duì)稱分布，僅取一半作圖。

圖7 各工況內(nèi)力

5.3 安全性分析

對(duì)各工況二次襯砌進(jìn)行軸力和彎矩的提取，按照鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范8.5節(jié)對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算。為確定二襯不同截面安全系數(shù)分布情況，將二襯單元?jiǎng)澐譃?6個(gè)單元，逐一對(duì)單元處內(nèi)力采用破損階段法[12]進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算，單元?jiǎng)澐智闆r及編號(hào)如圖8所示。

圖8 二襯單元編號(hào)

將各工況安全系數(shù)進(jìn)行整理，得到不同工況不同截面處的安全系數(shù)匯總圖，如圖9所示。從安全系數(shù)匯總圖可以看出，采取第三章措施對(duì)各工況脫空情況進(jìn)行整治后，各截面安全系數(shù)都大于規(guī)范規(guī)定的3.6，滿足安全要求，因此分級(jí)整治措施是合理的。

圖9 安全系數(shù)匯總

6 結(jié)論

(1)以梅林隧道脫空實(shí)例為出發(fā)點(diǎn)，從混凝土自身、設(shè)備及環(huán)境三方面對(duì)硬巖隧道拱頂脫空的原因進(jìn)行了探討，并對(duì)脫空可能產(chǎn)生的危害進(jìn)行了總結(jié)。

(2)從混凝土本身、施工設(shè)備及環(huán)境三方面進(jìn)行分析，提出需要采取的幾點(diǎn)預(yù)防措施，以盡量避免施工階段類似情況的出現(xiàn)。

(3)提出硬巖隧道拱頂脫空分級(jí)整治措施，該措施按照脫空程度的不同分別采取小、中、大修三種處理方法。其中小修直接灌注混凝土；中修打錨桿＋灌注混凝土；大修開(kāi)天窗＋植筋＋打錨桿＋灌注混凝土。

(4)結(jié)合梅林隧道三種典型脫空斷面，使用地層結(jié)構(gòu)法對(duì)采取分級(jí)整治措施后的襯砌進(jìn)行有限元分析并進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)處理后的二襯結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，且安全性均滿足要求。