隧道二襯嚴重開裂段病害綜合治理研究

白國權

(云南省交通規劃設計研究院,昆明 650011)

隧道二襯嚴重開裂段病害綜合治理研究

白國權

(云南省交通規劃設計研究院,昆明 650011)

以易門—峨山—高倉公路的控制性工程田心隧道為工程背景,對該隧道二襯嚴重開裂段落病害的綜合治理措施進行詳述:根據現場調查和監測、檢測資料對病害成因進行分析;提出隧道病害處治的設計和施工措施,包括:分段落提出所采用的處治措施,制定詳細的病害處治施工流程;依次經過裂縫段臨時支撐、注漿加固、二襯拆除及重筑、空洞回填注漿、二襯滲水引排、二襯局部裂縫修補、二襯內防水層施作、外貼纖維布加固等過程,并提出處治施工注意事項;嚴格按照施工流程,經過施工整治,隧道的病害得到了有效治理。

公路隧道;二次襯砌;裂縫;綜合治理

1 工程概況

易門—峨山—高倉公路改建工程位于玉溪市境內,是“十一五”期間云南省交通主樞紐重點建設項目之一,全線經過玉溪市的易門縣、峨山縣及紅塔區,是該二縣一區經濟發展的大動脈和對外聯絡的主要通道公路,其路網地位十分重要。

田心隧道是全線唯一的一座隧道,也是全線的控制性工程,跨越5、6合同段,為一座左、右幅分離的雙洞、單向行車、兩車道隧道,設計速度為80 km/h。其中右幅隧道進出口樁號為K47+073～K49+345,全長2 272 m,最大埋深約為262.5 m;左幅隧道進出口樁號為K47+ 100～K49+220,全長2 120 m,最大埋深約為257.3 m。按易門至峨山方向,左、右幅隧道平面均位于曲線～直線路段;左、右隧道所在路段縱坡均為人字坡。

隧道位于淺切割低中山緩坡區,據地質調查和鉆孔資料,隧道左、右幅處于相同地貌單元,地質作用以構造侵蝕作用為主。隧道穿越區的主要地層巖性包括:第四系粉質黏土、角礫土、碎石土,白堊系泥巖、礫巖,侏羅系砂巖、泥巖。隧道區地下水類型主要為基巖裂隙水,富水性受巖性制約,一般砂巖、礫巖富水性強,泥巖富水性弱?；鶐r裂隙水接受大氣降水補給,且受季節變化影響。隧道所在段落圍巖級別包括Ⅴ級和Ⅳ級,全隧左、右幅病害段工程地質剖面如圖1、圖2所示。

圖1 左幅隧道地質縱剖面

圖2 右幅隧道地質縱剖面

田心隧道主洞襯砌內輪廓凈空寬度為11.00 m、高度為7.10 m,采用R=5.50 m的單心圓曲墻式襯砌斷面,其建筑限界和內輪廓見圖3、圖4;隧道緊急停車帶襯砌內輪廓凈空寬度為13.80 m、高度為7.51 m,采用r1=7.86 m、r2=5.50 m的三心圓曲墻式襯砌斷面。原設計各支護類型主要參數如表1所示。

圖3 隧道建筑限界(單位:cm)

圖4 隧道內輪廓(單位:cm)

表1 隧道結構設計參數

2 隧道病害情況及成因分析

2.1 病害情況

施工過程中,田心隧道出現的病害主要集中在易門端右幅K47+760～+908段和左幅K47+730～+ 865段。主要表現為:二襯表面存在不規則裂縫及混凝土剝落、掉塊等;邊墻上部分裂縫縱向長達20余米,個別段落出現了貫穿隧道結構的環向裂縫;局部位置甚至出現了二襯鋼筋斷裂等現象。二襯開裂現場照片如圖5所示。

圖5 二襯開裂照片一

根據現場調查、檢測,統計顯示:右幅K47+760～K47+908段3處大面積起層剝落掉塊;左幅K47+730～K47+865段4處大面積起層剝落掉塊;二襯剝落段落的部分位置出現二襯鋼筋斷裂的情況;右幅K47+760～K47+908段有16條較為明顯的裂縫,其長度介于3～ 12 m、寬度介于1～20 mm、深度介于115～196 mm;右幅K47+833～K47+837段和K47+898～K47+901段裂縫貫穿整個隧道環向斷面;左幅K47+730～K47+865段有10條較為明顯的裂縫,其長度介于3～20 m、寬度介于0.6～10 mm、深度介于139～190 mm;另外在左、右幅這些段落還有多處細裂紋分布。

二襯裂縫及剝層展布情況如圖6、圖7所示。

圖6 右幅裂縫及剝層展布

圖7 左幅裂縫及剝層展布

2.2 病害成因分析

根據原設計地勘資料和超前地質預報單位的物探資料揭示,該段地質結構為侏羅紀微含鈣質夾薄層砂巖的強風化帶,巖石質軟破碎,節理裂隙發育密集,屬多次擾動后的不良地質段,隧道病害段穿過的地層出于新老斷裂構造巖石破碎區,在地形地貌上反映為斷坳低洼區,地下水富集,自穩性差,開挖后長期處于蠕動變形狀態;綜合分析認為地質條件是造成本病害的主要原因。

在本隧道施工過程中初支曾在多個局部段落出現過開裂、變形甚至坍方等情況,對初支變形的處理,尤其是對隧道圍巖的加固沒有嚴格做好,以及初支變形段換拱時采取爆破等方式對圍巖造成擾動也是造成病害的原因之一。

較差的圍巖地質條件和施工過程中對圍巖的多次擾動,以及后續施工過程中未做好部分細節工序是導致本病害的直接原因。

從現場二襯表面剝裂(圖8)等情況可以較為直觀地判斷,病害嚴重段的初支幾乎已處于失效狀態,這主要是由于在較大的圍巖壓力下,因初支鋼架未較好的順接成環,且鎖腳未鎖實,故而不能有效承載。同時,由于前期換拱等原因導致二襯混凝土截面厚度(或漸變)不均勻,在局部產生應力集中,進而導致二襯嚴重開裂。

圖8 二襯開裂照片(二)

3 隧道病害綜合治理方案

3.1 治理原則

本病害治理遵循“消除病害隱患,恢復使用功能”的基本原則;同時應技術可行、經濟合理、確保安全、方便施工;對于已經出現的較為嚴重的結構性病害,一次整治,不留后患,避免后期反復整治;盡量采用技術成熟、質量可靠、施作簡單的技術方案;堅持動態設計與信息化施工的思路,使設計適應于工程實際情況。

3.2 總體治理方案

根據現場調查,并結合檢測資料描繪隧道裂縫展布圖,綜合裂縫分布的特征及所處段落的圍巖情況、施工過程概況等系統分析,并分段落提出所采用的處治措施。

(1)右幅K47+757～+797段:處于緊急停車帶范圍,受車行橫洞的施工影響,二襯混凝土結構局部有較明顯裂縫,另有多處產生細裂紋;對該段采取的處治措施為:對脫空和空洞區進行回填注漿、對與車通交匯區域的二襯進行注漿加固,再對該段二襯裂縫進行表層修補和加強。

(2)右幅K47+797～+908段:二襯混凝土多處開裂,裂縫分布密集,單條長度較長、寬度較大;拱部剝落掉塊,且有較大面積的剝落、掉塊,結構整體性被破壞;局部位置二襯鋼筋嚴重變形、外露、斷裂;對該段采取的處治措施為整體拆除,重新施作支護體系。

(3)左幅K47+728～+760段:二襯混凝土結構局部有較明顯裂縫,另有多處產生細裂紋;對該段采取的處治措施為:對脫空和空洞區進行回填注漿、對與車通交匯區域的二襯進行注漿加固,再對該段二襯裂縫進行表層修補和加強。

(4)左幅K47+760～+784段:二襯混凝土剝落掉塊,結構整體性被破壞;對該段采取的處治措施為采取整體拆除,重新施作支護體系。

(5)左幅K47+824～+867段:二襯混凝土多處開裂、拱部剝落掉塊,結構整體性被破壞;對該段采取的處治措施為采取整體拆除,重新施作支護體系。

3.3 施工流程

根據本隧道病害的特征,結合擬采用的處治措施,制定了處治施工流程,如圖9所示。同時要求在施工過程各個環節中必須做好安全防護工作并制定相關的預案措施。

圖9 處治施工流程

3.4 分項治理措施

3.4.1 裂縫段臨時支撐、注漿加固

為保證施工安全,在二襯加固或拆除之前設置背拱鋼架臨時支撐,如圖10所示。二襯加固和臨撐拆除應分小段進行,在其過程中,應遵循“施工哪一段、僅解除該段的臨撐”的方式。

在二襯臨時背拱施作完成后,針對裂縫較集中的區域或二襯待拆除的區域,在相鄰段落二襯拆除即將開始前,通過打管對初支和圍巖進行注漿加固。小導管采用φ42 mm×4 mm鋼花管,按梅花形、沿徑向打設,間距為60 cm,如圖11所示;漿液采用一般的水泥漿液或水泥-水玻璃雙液漿。

圖10 二襯背拱

圖11 裂縫集中區域增設注漿管

隧道1號車行橫通道與緊急停車帶交匯位置存在多條裂縫且裂紋較為集中,故采用兩環小導管對車通周圈進行注漿加固。小導管采用φ42 mm×4 mm鋼花管,長4.5 m,在車通襯砌0.6 m范圍外按0.6 m× 0.6 m間距進行布置,如圖12所示,管的打設方向與車通軸向平行。

圖12 1號車通周圈加固小導管布置

3.4.2 二襯拆除及重筑

對隧道開裂嚴重段落二襯拆除應按照施工程序進行,其流程為:標識拆除段落,設置監測標記→對待拆除二襯背后注漿加固→對待拆除單元段二襯的背拱等臨時支撐予以拆除→按從拱頂至邊墻,從上至下的順序拆除二襯→消除懸吊混凝土塊,對初支完整性等進行檢查。為減小對初支和圍巖造成擾動,拆除過程中嚴禁采用爆破的方式。拆除順序應為從上至下,即先拱頂、再拱腰、最后邊墻,如圖13所示。

圖13 二襯拆除分塊

二襯拆除完成后應對原初支進行檢查,檢查內容主要包括開裂、變形情況及鋼架完整性等。對于已侵入二襯范圍內或開裂較為嚴重的初支應拆除后再重置,其施工程序為:再次核查初支變形情況,標示需要拆除的段落和部位→補打設注漿小導管或再次注漿加拆除段圍巖→對于侵界的圍巖和初期支護采用切割和鑿除方法消除、擴挖→重新施作鋼架、噴射混凝土等,即重做變形部位初支。圖14所示為變形初支置換前后斷面對比。對初支的拆除置換必須逐榀進行;拆除時不應擾動拆除范圍外的襯砌和圍巖,嚴禁采用大爆破。圖15所示為初支變形段現場置換的照片。

圖14 變形初支置換前后斷面對比

圖15 變形初支置換照片

3.4.3 空洞回填注漿

對初支與二襯間及二襯與圍巖間的脫空、積水和空洞部位通過注漿小導管回填密實,如圖16所示。

圖16 空洞區域增設注漿管

3.4.4 二襯滲水引排

滲水處理在注漿結束后進行。首先查清滲水點;然后打孔引導并鑿槽埋設半圓形排水管,按盲溝形式將滲水引排至邊溝;最后抹砂漿將鑿槽填平;同時,做好埋管位置的準確標識和記錄,以便隧道今后的疏通和管養。

3.4.5 二襯局部裂縫修補

未拆除二襯段落的淺表裂縫需進行修補,采用環氧樹脂液:對寬而深的裂縫進行灌注處理,對細而淺的裂紋進行表面封閉處理。

3.4.6 二襯外防水層

對防水層已被破壞或已發現滲漏的區域涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料作為外防水層,涂刷范圍應超出圍巖注漿處理范圍兩側各0.5 m。

3.4.7 外貼纖維布加固

在注漿、裂縫修補完成后,根據裂縫情況,對影響結構承載力的拱部等主要裂縫區域的混凝土采用粘貼碳纖維布加固措施,以增強結構強度,提高結構的完整性和承載能力。

3.4.8 健康診斷長期監測系統

裂縫處理完成后,還應建立一個隧道健康診斷監測系統,分析隧道變形、受力及安全狀況。該系統設計采用光纖光柵表面粘貼式應變傳感器(也就是應變片),和與之配套的儀器和配件共同組成一個應變數據采集的系統,根據實時采集的數據分析隧道的變形情況和實際受力狀態,對隧道的安全(健康)狀況做出判定。

應變片的布設間距主要是根據裂縫的分布情況確定的:沿隧道縱向每環間距離為主洞段15 m、緊急停車帶10 m;沿環向每列間距離為主洞段3.0 m、緊急停車帶2.5或3.0 m;實際布設間距可根據現場情況適當調整。

4 病害治理效果分析

通過制定嚴格的施工組織方案,經過緊張有序的處治施工,隧道的病害得到了有效治理,保證了隧道的按時通車和正常運營。圖17所示為施工過程中二襯換拱段鋼筋綁扎完成、混凝土重新澆筑前的照片,圖18所示為病害處治完成后易門端洞口的照片。

在整個病害治理過程中,施工注意事項如下。

(1)施工前對病害情況進行復查,核對病害范圍、所處部位及類型等,當發現與設計不相符時,及時提出,修改設計。

(2)施工方案編制時,堅持“先處治病害嚴重段,后處治病害輕微段”的指導思想。

(3)施工過程認真按施工程序要求進行施工,在每道工序完成后進行質量檢查,并做好記錄,檢查合格后才進行下一道工序的施工。

(4)施工過程各個環節中認真做好安全防護工作并制定相關的預案措施。二襯拆除過程中,使用了挖掘機等機械鉤挖開裂的縫隙、清除松散混凝土塊,用破碎錘等逐塊清除剩余較大的混凝土塊。

圖17 二襯重新澆筑前照片

圖18 病害處治完成后洞口照片

5 結語

田心隧道的病害較為嚴重,涉及二襯和初支的拆除、重置等,其治理過程較為復雜。

隧道的病害治理需對原地質資料及施工過程等進行認真分析,分析導致病害的各種因素,是一項系統的工作,結合本隧道的治理有以下結論。

(1)病害治理前應形成嚴謹的基本思路,本隧道治理的思路為:現場調查并詳細了解裂縫分布的特征及所處段落的圍巖、施工過程等情況,分析病害成因;結合二襯監控量測和裂縫專項檢測報告及專家的意見和建議,分段落提出所采用的治理措施;制定詳細的病害處治施工流程;嚴格按照施工流程圖進行各道工序的施工。

(2)隧道建設是一個動態設計與信息化施工的過程,限于現有的科學技術手段,地勘資料往往不能完全揭示圍巖的真實情況,施工過程中應根據實際地質情況對隧道的支護參數進行調整,在圍巖較差的局部位置或段落采取一定的加強措施,以滿足結構的安全要求。尤其是對于軟弱地質段落,應加強超前預支護,并嚴格通過注漿等方式對圍巖進行預加固。

(3)為防止或減小爆破對圍巖和結構的擾動和損傷,隧道施工過程中應嚴格控制開挖爆破;對初支侵限段進行換拱的過程中,更應嚴格控制爆破,甚至可規定禁用爆破拆除的方法。

(4)為防止圍巖被擾動區域產生次生災害,結合檢測等手段,對于已施作支護的襯砌背后圍巖松動區域應嚴格注漿填實;對于病害治理過程中圍巖再次被擾動的區域,應注漿加固以重塑或提高圍巖的整體性。

(5)另外,隧道施工也是一個“細節決定成敗”的過程,其間各工序、各環節、各細節必須嚴格做到位;同時隧道施工也是一個有序的過程,不可盲目趕工期。

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Research on Comprehensive Treatment for Severe Cracking of Tunnel Secondary Lining

BAI Guo-quan
(Broadvision Engineering Consultants,Kunming 650011,China)

U457+.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.032

1004-2954(2014)08-0133-05

2013-11-12

白國權(1981—),男,高級工程師,注冊土木(巖土)工程師, 2006年畢業于西南交通大學橋梁與隧道工程專業,工學碩士,E-mail: bgqynlw@sina.com。