高應力地區成型管片破壞后的修補技術

陳 維， 陳 鑫

(中國水利水電第十工程局有限公司 ，四川 都江堰 611830)

1 概 述

西藏某公路隧道全長4.799 km，施工主要采用雙護盾TBM掘進，開挖洞徑為9.13 m，開挖后襯砌采用“6+1”型四邊形預制混凝土管片，管片厚35 cm，襯砌后隧洞直徑為8.1 m，硬巖掘進機最大日進尺為26.9 m，平均月進尺為480 m，最大月進尺為560 m，隧道最大埋深820 m，隧道圍巖巖性以混合片麻巖為主，巖石較新鮮、強度高，巖體相對較完整，地下水水壓力和涌水量較大，地應力高，圍巖級別以Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類為主，受高地應力影響圍巖擠壓現象更為普遍，管片發生了不同程度的變形或破壞，對工程質量和使用性能造成了影響，因此，對其進行修復與加固施工十分必要。

2 管片破損原因分析

結合現場實際的地質、施工情況進行分析后得知管片破損的原因有以下幾點：(1)雙護盾TBM管片結構破損區域主要發生在管片結構推出護盾后階段，管片結構徑向錯臺是引起管片結構破損的主要原因。(2)管片破損形式有管片裂縫、管片錯臺、管片滲水、管片連接螺栓失效四種形式，其中管片開裂、錯臺為主要的破損類型。(3)地質條件改變，圍巖為碎粉巖，呈碎塊狀加粉末，巖石強度低，拱部圍巖垮塌、圍巖收斂變形導致管片產生破損。

3 修復方案的確定

高分子改性快凝堵水材料、彈性環氧砂漿、高分子改性預收縮砂漿、自潔清水混凝土涂料等高科技材料與普通材料工藝性能相比，新型材料在遇水以及對管片的外觀質量都起到了很好的作用，能夠使管片混凝土較好地結合，修復后原破損部位具有較好的塑性和柔性，能適應隧道的沉陷變形，對再次產生的裂縫有一定的自愈能力；而普通材料在滲滴水、管片破損的情況下很難達到封堵嚴密穩定的狀態，對管片裂縫也無治愈能力，外觀質量亦不滿足要求。采用高新材料對隧道破損段進行修補后，破損段的密實度和抗滲性均優于普通砂漿[1]。

此外，高應力區破損成型管片修補技術在對隧道襯砌管片進行修補加固的同時，在隧道襯砌管片內側設置了鋼框架支撐以抵消內應力的影響，能夠保證隧道的長期穩定運行，該結構簡單，易于實現。

高應力地區成型管片破壞后的修補技術主要有以下幾點：(1)對有滲滴水的管片、灌漿孔、螺栓孔，采用聚合物改性快速堵水材料對路緣石以上管片縱向接縫和拱部180°范圍環向縫進行勾縫封閉或堵孔處理；(2)對管片下沉洞段采用內側“I16工字鋼架+錨桿”進行加固；(3)對管片下沉洞段管片破損及裂縫部位采用彈性環氧砂漿進行補強加固；(4)采用聚合物改性預縮砂漿進行管片內側表面的處理，并涂刷自清潔清水混凝土涂料進行管片內側的表面防護[2]。

4 施工方案

4.1 工藝流程

成型管片損壞修補技術措施的施工工藝：測量放線→制作鋼拱架→安裝鋼拱架→自進注漿錨桿測孔位→焊接連接鋼拱架→清理基面→涂環氧界面劑→填充彈性環氧砂漿→段內表面涂聚合物改性預收縮砂漿→自潔清水混凝土涂料養護→聚合物改性快速堵水材料。

4.2 測量放線

因地質條件差，管片下沉開裂導致管片內徑與原設計內徑相差較大。為保證鋼拱架的制作和安裝精度，在鋼拱架加工前，安排測量人員對鋼拱架加工擬搭設的各環節內徑進行測量。

4.3 安裝鋼拱架

(1)為保證管片與鋼拱架的配合，針對鋼拱架兩側翼板與管片表面的結合處應采用10 cm寬的環氧砂漿進行打磨和清理，使鋼拱架的力學性能更好。為保證環氧砂漿能更好地與管片和鋼架翼板粘結，應清除管片表面的浮土、滲水垢和固化的浮漿。清理管片表面時，用人工角磨機將管片打磨干凈、清理后用清水沖洗，以保證管片表面的清潔度。管片內側鋼拱架加固情況見圖1。

(2)鋼拱架底部C單元和兩側B單元的安裝應根據管片環數選擇兩側相應的、已完工鋼拱架C單元和B單元進行。鋼拱架安裝完畢，根據設計要求，用YT-28型風鉆在兩側鉆B單元鎖緊螺栓(φ32，自進式中空錨桿)。帶鎖腳錨桿施工完畢，人工回填開挖溝槽，用開挖料分層夯實[3]。

(3)鋼拱架A單元的安裝以鋼拱架安裝段的環號為基礎，選擇環號對應的A單元進行安裝。將完成的A單元由1 t手動葫蘆吊至安裝位置，A單元固定連接，手動安裝。對于鋼架與管片間隙較大的部位，采用事先預制的C25混凝土墊塊楔入，使壓力更好地傳遞到鋼架上。鋼拱架A單元施工完畢，采用YT-28型風鉆鉆孔，安裝φ32，L=3.5 m自走式空心注漿錨桿，每根鋼拱架12個，鎖腳錨桿施工完畢，將鎖腳錨桿與鋼拱架焊接連接，形成一個完整的體系[4]。鋼拱架布置情況見圖2。

4.4 基面清理

檢查管片混凝土基層表面是否損壞并認真清理表面浮漿、油漆等粘結附著物。用鋼絲刷或高壓水槍清理螺栓孔、灌漿孔、管片接頭等需要堵塞的部位，清理后的基面不得留有松動材料。

使用鋼絲刷和鼓風機打磨、清潔管片和鋼制品的表面。有油漬時，可用酒精、丙酮等溶劑擦洗，環氧材料維修區域需要清潔和干燥。

4.5 涂刷環氧界面劑

在鋼架法蘭中心線兩側10 cm范圍內，先涂一薄層環氧專用界面劑，涂刷厚度不得超過1 mm，應使用刷子清除材料較多的坑洞中多余的界面劑。

4.6 彈性環氧砂漿填補及管片內側表面防護

環氧專用界面劑層表面干燥(手摸時不拉絲)后，采用彈性環氧砂漿(高強度)加固。對于受損部位和破壞部位應先用彈性環氧砂漿修補，深基坑部分應填充彈性環氧砂漿。每層刮除厚度不大于2 cm，可刮成多層，直至表面平整為止，兩層之間的施工間隔為5～6 h，然后在鋼架法蘭中心線兩側10 cm范圍內填充彈性環氧砂漿，平均厚度約2 cm。

4.7 自清潔清水混凝土涂料的養護

檢查聚合物改性預收縮砂漿層表面是否有灰塵和其他污漬，并確保干凈的條件下在基礎表面涂自清潔透明混凝土涂料。

根據物料配比的要求配制自清潔透明混凝土涂料并用輥進行輥涂作業。通常，將輥施加2至3次，要求厚度均勻且無泄漏并確保沒有明顯的線條。

涂布輥涂布完成后，可在24 h防水固化后投入使用。

維護完成后進行質量檢查和驗收。主要檢查內容包括檢查是否有空洞、脫落、開裂等缺陷。外觀要求顏色與周圍的混凝土相似且干凈美觀。

4.8 聚合物改性快速堵水材料

(1)材料的配置：根據水與水的質量比10∶4制備聚合物改性快速阻水材料。采用電動攪拌器混合均勻后使用，并可在制備后的5～8 min內使用。如果發現該材料在使用過程中固化，則應將其丟棄。所制備的1 m3阻水材料的質量約為2 200 kg，其中固體含量約為1 571 kg[5]。

(2)刻縫開槽：沿排水路徑規劃，在洞穴壁上劃刻并雕刻混凝土，凹槽寬度約為5.5 cm，用切刀沿線切割，然后在中間用電鎬切割混凝土至大約6 cm的深度，安裝排水管。

(3)堵水材料的密封施工：按比例要求制備聚合物改性快速阻水材料后，用刮刀分批刮除，封閉螺栓孔、注漿孔、管接頭等滲水部位，刮擦表面應平整。為了順利過渡到周圍的混凝土，其坡度應不大于1∶20。管片拱頂灌漿孔、螺栓孔受重力影響應分層填筑，每層填料的厚度約為2 cm，待材料凝固后再進行下一層填料。堵水作業結束后12 h觀察其滲水情況，對仍有滲漏的部分挖出并重新實施封堵。

5 預防措施

高應力區的成型管片破壞是隧道工程中普遍存在的現象，其不僅對管片的外觀質量造成了一定影響，同時也對管片的使用性能構成了潛在威脅。管片破壞主要由內部因素和外部因素相互作用產生，筆者針對導致高應力地區成型管片破壞、結構裂損的不同原因分別提出了以下幾點預防措施:

(1)在進行混凝土澆筑時，需要嚴格控制管片結構的溫度，確保管片的內部溫度與表面溫度差在25 ℃之內。例如，在夏季氣溫較高時進行澆筑，可采取摻入冰屑、遮陽等措施防止混凝土溫度過高。

(2)加強對施工人員實際操作的培訓。避免因施工人員操作不當引起施工質量問題，如混凝土搗振不均勻、養護不合理等。在預制混凝土管片時，高能量振搗容易導致混凝土離析、管片外弧表面出現浮漿及表面破壞，因此，在振搗施工中應盡量采用分次振搗的方式。混凝土在養護過程中對溫度變化很敏感，因此，一定要控制好管片內部與外表面的穩定及管片蒸養溫度與室溫的溫差。另外，在混凝土管片強度達到設計值后應將其吊入水中進行養護，時間為一個星期。

(3)根據現場實際情況，適當地添加減水劑或緩凝型減水劑。在混凝土中摻加減水劑，既可以滿足混凝土的強度要求，又能減少10%左右的拌合水使用量。如果摻加緩凝型減水劑，既可以達到上述效果，又可以將初凝時間推遲1 h以上，以便于其充分散熱，避免產生破壞。

(4)建立健全質量監管體系，改善施工工藝，提高施工技術水平。

6 效益分析

6.1 社會效益

高應力區成型管片損傷后修補技術的應用，提高了高應力區成型管片損傷后的修補質量，為隧道運營中受損管片的安全運營提供了保障，豐富了我國隧道施工中的管片修補技術。

6.2 經濟及安全效益

采用高應力區成型管片破壞后的修補方法，大大降低了成型管片修補材料與混凝土基層表面

結合不緊密而引起的剝落返工率，節約了施工周期。同時，采用該方法對成型管片進行修補，對隧道內其他施工干擾較小，最大限度地減小了管片修補對工程工期的影響，具有良好的經濟效益。

此外，采用該方法修復受損管片后，提高了成型管片環的整體穩定性，解決了成型管片的滲水、堵排問題，改善了成型管片的外觀和形象，提高了汛期隧道行車的舒適性和安全性，確保了項目建成后的運營，取得了較好的安全效益。

7 結 語

高應力地區成型管片破壞后的修補技術應用范圍廣，不僅適用于公路隧道襯砌破壞后的修補施工，也適用于水利水電工程、鐵路及城市地下鐵路隧道中長輸水隧洞(無壓)等鋼筋混凝土管片破壞后的修補，保證了修復后原破損部位具有較好的塑性和柔性，增強了破損管片對隧道沉陷變形的適應性，同時，破損修復位置的新材料對再次產生的裂縫具有一定的自愈能力，使修復后的管片具有更好的密實性和防滲性，以及更好的抵抗應力的能力，阻止了在高地應力作用下管片破環的持續發生，提高了隧洞運行期間的行車安全。