鋼帶支護系統在重載鐵路隧道襯砌開裂整治中的應用

王定舉

(朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧062350)

鋼帶支護系統在重載鐵路隧道襯砌開裂整治中的應用

王定舉

(朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧062350)

朔黃鐵路寺鋪尖隧道有多處襯砌混凝土出現交叉開裂或錯牙開裂。結合現場勘查以及無損檢測情況，對隧道襯砌開裂原因進行了分析?？紤]到朔黃線天窗修狀況，提出采用“W鋼帶+鋼絲網+平鋼帶+錨桿”的聯合支護方案進行病害整治。通過工程類比并結合現場條件闡述了該加固方案的設計參數、施工工藝以及施工注意事項。加固方案實施后，取得良好整治效果。

襯砌病害 加固方案 W鋼帶支護 方案設計

1 隧道概況

朔黃鐵路寺鋪尖隧道為雙線隧道，位于山西省五臺縣與盂縣交界處，起止里程K150+098.58—K156+ 505.58，隧道全長6 407 m。隧道內除洞口加強段及部分地段采用普通模筑混凝土襯砌外，其余均采用復合式襯砌。

該隧道地處太行山中部，系舟山山脈北端，橫穿寺鋪山，地形起伏大，多呈V字形，最大埋深927 m。隧道穿過的地質構造主要有區域構造褶皺、斷裂構造及節理，隧道范圍內有12條斷層，除F12為逆斷層外，其余均為正斷層。F12斷層延伸最長，斷距最寬，斷層破碎帶主要為角礫狀灰巖、灰質頁巖及斷層泥。進口標段K152+013—K155+165穿過F1～F12斷層，穿過地層主要為寒武系泥質灰巖、頁巖及混合花崗巖，主要為水平巖層。地下水主要為基巖裂隙水、構造裂隙水和巖溶水三種。

2 襯砌病害及成因分析

工務部門在對隧道進行例行檢查時發現隧道拱頂及拱腰襯砌多處開裂，裂縫呈交叉狀、月牙形，延伸較長，裂縫寬度較大且伴隨錯牙等情況(圖1)。

圖1 襯砌病害示例

具體情況為:

1)K153+895—K153+925右拱頂縱裂長8 m，寬5～7 mm，錯牙5～7 mm。左拱腰至右拱腰襯砌空響長15 m，寬7 m，面積約為105 m2;

2)上行K153+753—K153+768拱頂裂紋呈圓形，裂紋長度7 m，縫寬3～20 mm，錯牙25 mm，病害等級為AA級。

通過對病害部位進行裂縫調查、打擊聲檢查、鉆孔配合內窺鏡檢查及探地雷達無損檢測，并結合整治過程中發現的情況可以判斷病害原因主要有以下三個方面。

1)襯砌混凝土施工質量差

施工時有超挖現象但沒有采取處理措施，致使二襯背后有較大空洞，同時，澆筑襯砌混凝土時不能做到多個灌漿口灌注，導致襯砌混凝土厚度嚴重不足(二襯混凝土設計厚度為30 cm，現場量測厚度均不足20 cm)，再加上振搗、養護差，最終導致襯砌混凝土整體質量較差，承載能力低。

2)塌方段處理不當

利用探地雷達對隧道襯砌進行無損檢測過程中發現二襯背后存在空洞及回填不密實情況(圖2)，其后在人工鑿除病害襯砌處劣化混凝土過程中發現大量施工中遺留的廢棄材料摻雜在混凝土中，在鉆孔中用內窺鏡對空洞內進行觀察時發現空洞頂部有類似木支撐等支護措施(圖3)。

圖2 探地雷達檢測剖面

圖3 二襯混凝土中雜物

由上述情況可以推斷，病害處在施工時應當發生過塌方，但當時未采取有效措施進行處理，僅將圍巖用木支撐支護后就模筑二襯，未對背后進行充分回填。

3)集中荷載沖擊作用

由于地下水作用及地質運動，空洞上方巖體逐步松弛、脫落而使襯砌受到沖擊(圖4)。當襯砌強度充分時不會造成破壞，而當襯砌強度不足，承載力不夠時就會發生破壞，產生半月形或發散狀交叉裂縫，嚴重時直接破壞襯砌，威脅行車安全。

3 鋼帶支護系統方案設計

針對隧道襯砌交叉裂縫及網狀裂縫，整治方案一般有如下三種:①裂縫修補+壓注修補膠;②掛鋼筋網片+噴射鋼纖維混凝土;③鑿槽內嵌鋼軌或型鋼拱架。以上方法在隧道病害整治中均采用過，但對該處病害實施起來均有難點。裂縫修補法雖然可以在一定程度上恢復襯砌混凝土的完整性，但對于提高結構承載能力效果有限。網噴混凝土可以很大程度上提高結構承載能力，但由于是在運營線路上利用天窗點施工且需對整個拱頂襯砌表面鑿毛處理，工藝復雜，對運營安全有影響。因為病害段襯砌混凝土厚度嚴重不足且裂損情況嚴重，鑿槽內嵌拱架容易將襯砌鑿穿，對隧道形成二次破壞。鑒于上述情況，將鋼帶支護系統應用于此處病害整治。

3.1 鋼帶支護系統原理

鋼帶支護系統是指將錨桿、平鋼帶、W鋼帶及鋼筋網片組合而成的支護系統。相對于單一的支護方式，鋼帶支護系統可以將不同的支護部件連接起來形成一個整體，顯著改善各個支護部件的受力，使其更好地發揮支護作用。

W鋼帶是一種新型支護材料，由高強鋼板制成，截面形狀似W形(圖5)。與普通鋼帶相比，由于冷軋硬化的作用，它具有更高的抗拉強度、抗彎模量和剛度。通過它可以把分散的多根錨桿聯接起來，形成一個整體承載結構，顯著地提高錨桿的整體支護效果，對處理不穩定圍巖效果顯著。采用該技術加固隧道襯砌也使混凝土襯砌與鋼帶共同受力，從而有效提高襯砌結構的抗彎和抗剪性能。

圖4 集中荷載作用示意

圖5 W鋼帶

3.2 鋼帶支護系統設計

根據襯砌病害實際情況，綜合考慮隧道凈空及施工可行性，以防止劣化混凝土掉塊及增強結構承載能力為主要目標，初步擬定支護系統各參數。

1)錨桿。錨桿采用φ25或者φ32中空錨桿(圖6)，沿鋼帶環向布置。錨桿長度應保證入巖深度不小于1.0 m。錨桿環向均勻布置;錨桿環縱向間距均為1.5 m。中空錨桿需灌注加固型TGRM水泥基特種灌漿料，施工時按先兩側后拱頂的順序打設。必須保證錨注質量，使錨桿抗拔力滿足規范要求。

圖6 錨桿構造

2)平鋼帶。平鋼帶選用300/5型鍍鋅鋼帶，沿隧道縱向粘貼，環向間距1.5 m。粘鋼膠需滿足《混凝土結構加固設計規范》的規定。

3)W鋼帶。W鋼帶采用WX300/5型鍍鋅W鋼帶(圖7)，根據施工前應用隧道斷面掃描儀掃描的結果在工廠對其弧度進行加工。W鋼帶沿環向鋪設并采用錨桿拉緊，沿隧道縱向間隔1.5 m布設。

圖7 W鋼帶橫截面(單位:mm)

鋼帶支護系統整體設計如圖8所示，各部件接觸如圖9所示。

圖8 鋼帶支護系統展開布置示意(單位:cm)

圖9 各部件接觸示意

圖10 鋼帶支護系統施工流程

圖11 聯合支護系統現場施工

3.3 施工注意事項

施工流程見圖10。“W鋼帶+錨桿+空洞填充”聯合支護系統現場施工情況如圖11所示。

為達到襯砌補強效果，切實提高襯砌承載能力，達到設計要求，在實際施工中要嚴格按照設計施工，并嚴格控制以下施工要點。

1)仔細觀察混凝土有無裂縫、破損等，將破損處疏松、剝落、腐蝕的劣化混凝土剔除干凈，露出混凝土結構層。襯砌混凝土的打磨清洗質量是平鋼帶是否可以粘貼牢固的關鍵。

2)W鋼帶及平鋼帶采用液壓開孔器、磁力鉆成孔，成孔位置要與混凝土件上的孔洞相符。氧氣切割開孔會破壞鍍鋅層并破壞鋼帶完整性，嚴重影響其使用性能，禁止使用。開孔位置的偏差造成施工安裝困難，故必須保證開孔位置的精確。

3)結構膠使用前必須先把各組分分別在包裝桶內攪拌至均勻(結構膠在停放及運輸過程中容易出現分層離析現象，事先必須分別攪拌均勻)，然后另取一個容器把用量較多的組分(主要成分)按比例稱量，倒入容器后，再稱量另一組分，混合在一起，并按同一方向攪拌，防止氣泡的產生。

4)用小錘輕輕敲擊鋼材，如無空洞聲，表明粘貼密實，如空洞聲范圍較大，表明不密實范圍較大，須將鋼材拆下，重新粘貼。如有個別空洞聲，表明局部不密實，需補膠。一般錨固區密實度應在90%以上，非錨固區密實度應在70%以上。

5)錨桿安裝時必須保證漲殼件完全張開并卡緊，以保證未注漿前承載能力。TGRM注漿必須飽滿密實，滿足拉拔要求。

4 結論

1)“W鋼帶+鋼絲網+平鋼帶+錨桿”聯合支護系統在朔黃鐵路寺鋪尖隧道襯砌病害整治工程中取得了良好的整治效果，豐富了我國隧道病害整治工藝。

2)工程實踐表明，“W鋼帶+鋼絲網+平鋼帶+錨桿”聯合支護系統既能對裂損襯砌進行結構修復補強又能提高結構承載能力，能滿足多種隧道襯砌病害的整治要求。

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Application of steel band bolting system to treatment of primary liner cracking in existing heavy haul tunnel

WANG Dingjun
(Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China)

According to cross cracks and malocclusion cracks of lining concrete in Shuozhou-Huanghuagang railway Sipujiantunnel，the causes of tunnel lining cracks were analyzedbycombing withfieldinvestigationand nondestructive testing.Considering the skylight repair status of Shuozhou-Huanghuagang railway，this paper put forward the combined support scheme of“W-steel strip+steel wire net+flat steel strip+anchor”in order to control the diseases.T hrough the engineering analogy and based on site conditions，the design parameters，construction technology and matters needing attention of reinforcement scheme are discussed and the feasibility and good treatment effect of the scheme are verified after the reinforcement scheme implementation.

Lining disease;Reinforcement scheme;W-steel strip support;Scheme design

U457+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.15

1003-1995(2015)05-0058-04

(責任審編李付軍)

2014-11-26;

2015-01-17

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)

王定舉(1971—)，男，四川南部縣人，高級工程師。