总第２４５期 ２０１１年第２期 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉ交ｏｎ Ｓｃｉ通ｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌ科技 ｏｇｙ ＳｅｒｉａＩ Ｎｏ．２４５ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１ｌ 沪蓉西扁担垭隧道二衬补强加固 处理方案的探讨及实施 郝才平 周立德 许鹏飞 郝财国 张义泽。 （１．湖北路桥集团有限公司 武汉４３００５０；２．湖北省宜巴高速建设指挥部 宜昌４４３７００ ３．云南第二公路桥梁工程有限公司 昆明 ６５００１１） 摘 要 针对部分隧道建成初期或投人运营若干年后二次衬砌混凝土出现的开裂现象。以及隧道 修建过程中出现的大量裂缝甚至二衬掉块、坍塌现象。通过对沪蓉西扁担垭隧道ＺＫ４３＋９６７拱顶 偏左（行车向）处开裂和掉块处补强加固方案的比选和实施，对如何选择安全、方便、快捷、节省．保 证人员和结构安全、施工方便、保证工期的方案进行了探讨，并介绍了一种比较简单、安全的运营 期隧道的养护和维修方法。 关键词 隧道二次衬砌补强加固 沪蓉西高速公路通车一年左右，在扁担垭隧 加厚喷射混凝土厚度措施，导致侵占了部分二衬 道ＺＫ４３＋９６７拱顶偏左（行车向）处发生二衬混 空间；同时二衬距掌子面施工间距过长，为了快速 凝土掉块。纵向长２ ＩＴＩ（ＺＫ４３＋９６６～ＺＫ４３＋ 施工二衬，防止发生较大的坍方和安全事故，忽视 ９６８），横向宽１．１ ｍ，掉块面积２．２ ｍ ，呈倒锅底 了该处拱顶二衬施工质量，导致该处拱顶二衬厚 形状，可见防水层。沿纵向有一延伸的纵向裂缝， 度不够，在运营期出现二衬开裂、脱落的现象。 缝宽２～３ ｃｍ，长度约４ ｍ（ＺＫ４３＋９６８～ＺＫ４３＋ ９７２），防火涂料发生脱壳、剥层现象。本文就其二 ２处理方案 衬掉块及涂料脱层原因进行分析，并提出加固 此段发现开裂掉块后，施工单位聘请武汉港 处理方案。 湾设计研究院在开裂段进行监控，观察裂缝是否 １掉块、裂缝原因分析 有增大、发展的趋势。通过粘贴裂缝观测片进行 监控量测２５天后，裂缝无明显变化，由此可判定 通常隧道二次衬砌仅作为安全储备，不承受 该段围岩地应力已释放完毕，处于稳定状态。隧 荷载或仅承受小部分荷载。但是对于不良地质条 道开裂处理的方法主要有拆除重建法、挂网喷浆 件下的隧道，由于隧道洞身穿过不良地质带，在 法、锚固注浆法、凿槽嵌补法、套衬补强法、直接涂 初期支护施工后，地压明显增加，二次衬砌往往 抹法等。根据笔者的研究和经验以及上述主要整 提前施工，以承担部分围岩压力。这种情况会导 治方法的适用范围，认为衬砌的裂损整治应采用 致隧道二次衬砌出现受力开裂。此外，隧道部分 以稳固岩体与加固衬砌相结合的综合治理措施［１］ 区段由于施工质量没有保证，也会出现非受力开 较合理。 裂现象。扁担垭隧道ＺＫ４３＋９６４～ＺＫ４３＋９８０ ２．１稳定围岩的加固措施 段处于极高地应力区域范围内，在高地应力作用 ２．１．１ 预应力注浆锚杆方案（方案一一） 下，围岩发生变形、初支开裂变形现象，最后应力 布设长９ ｉｎ直径２５ １Ｔｉｍ预应力中空注浆锚 全部作用于二衬上。由于地质勘测时未及时探明 杆，注浆压力２ ＭＰａ，预应力不小于８０ ｋＮ，锚杆 极高地应力作用，引起了初支变形下沉，后采取了 钻孑Ｌ ４２ ｍｍ，纵环向布置间距１．２ １ＴＩ ｘ １．２ ｍ，梅 花型布置。方案一示意图见图ｌ。 收稿日期：２０１０一Ｉ卜２０ ２０１１年第２期 郝才平等：沪蓉西扁担垭隧道二衬补强加固处理方案的探讨及实施 ６７ 图ｌ方案一不意图 ２．１．２锚索方案（方案二） 锚索预应力为５ ０ ０ ｋＮ，长１ ８ ｍ，锚固端长 ８ ｍ，间排距为３．０ ｍ ｘ ３．０ Ｆｎ。预应力锚索采用 ４根公称直径ｌ５．２４ ｍｍ、抗拉强度为ｌ ８６０ ＭＰａ 的高强钢绞线；锚索孑Ｌ采用直径ｌｌ０ ｍｍ钻孑Ｌ，每 根张拉ｔ２５ ｋＮ。锚杆布设形式同方案一。方案 二示意图见图２。 图２方案二示意图 根据计算区域工程地质条件及地勘资料，确 定围岩的基本力学参数见表ｌ。 表１ 围岩体力学参数表 对比国内类似地质条件下软岩工程的岩体蠕 变参数取值，隧道围岩的蠕变模型为： ； 一３×１０—５（ ｃｒ）ｔｏ ２５ 式中：ｅ“为等效蠕变应变； “为等效蠕变应力， ＭＰａ；ｔ为时间，Ｓ。 支护材料的基本力学参数见表２，其中：衬砌 和二衬的重度及弹性模量均根据实际设计的支护 参数折合计算得到。 表２材料力学参数表 计算段隧道埋深５４０ ｍ，计算模型范围从隧 道向左右、上下各取ｌ２０ ＦＩｎ＿。地应力按照长江科 学院现场水压致裂的测试成果。模型左侧、右侧 和底边进行法向约束，模型上表面按照山体高度 施加相应的面力。隧道开挖后，待应力释放完毕 施作二次衬砌，研究两种加固方案下围岩蠕变 ０ 年对隧道结构的影响Ｌ２Ｊ。 ２．１．３理论计算结果 采用两种加固方案对隧道拱顶进行加固，隧道 运营５Ｏ年后，围岩的破损区、蠕变区基本相同，图 ３、图４为围岩的破损区和蠕变区分布；二次衬砌中 的轴向力、轴向应力以及破损位置也基本一致。 图３ 围岩破损区分布云图 图４ 围岩蠕变区分布云图 由计算结果可见：二衬中弯矩很小，二衬基本 受压，在拱脚局部位置由于底臌局部受拉，拱脚和 拱腰下方部位出现轴向力和轴向应力集中，其值 分别为ｌ６ ＭＮ和３６ ＭＰａ，拱顶部位二衬轴向压 力及压应力分别为ｌ２．４ ＭＮ、２５．２ ＭＰａ，基本接 近临界破损状态；长期蠕变下拱腰下方和拱底部 位出现破坏；长期蠕变下二衬最大位移出现在拱 底，锚杆加固方案下拱顶下沉１．４ ＣｒＩｌ，而锚索加 ６８ 郝才平等：沪蓉西扁担垭隧道二衬补强加固处理方案的探讨及实施 ２０１１年第２期 固方案下二次衬砌拱顶下沉量仅为０．６ ｍｍ。可 见，两种方案都能达到较好的加固效果。 ２．２衬砌后部松散围岩固结措施 ２．２．１ 回填压浆（方案一） 止裂缝产生，同时对衬砌混凝土表面起到保护的 作用。因此采用碳纤维布补强能有效提高构件的 承载力和耐久牲，同时碳纤维布厚度不大于２．０ ｍｍ，不会影响隧道净空及使用功能。具体优点、 特性如下： （１）碳纤维抗拉强度高，高于普通钢ｌＯ～１５ 通过对破碎松动的岩体压入水泥浆液，回填 衬砌背后空洞，使得衬砌能与围岩密贴，充分发挥 围岩地层反力。采用长２ ｍ直径４２ ｍｍ钢花管， 间距２．０ ｍ×２．０ Ｉｎ，对衬砌背后围岩进行回填 压浆［３］。 倍，能有效提高结构的承载力。 （２）耐酸碱，抗腐蚀，与结构胶配合使用，能 阻止有害介质浸渗，对内部结构起保护作用，提高 构件耐久性能。 （３）比重是钢材的２３ ９／５，基本不增加构件自 ２．２．２锚索加固（方案二） 锚索钻孔采用风动干钻，钻孔过程中出现塌 孔时，用套管进行跟进。预应力锚索为１ ８６０ 重及体积，不改变构件截面尺寸。 （４）碳纤维布是一种柔性材料，可弯曲缠绕 成型，对各类曲面、异型构件加固优势更为显著。 （５）可任意剪裁，易粘贴，施工质量易于保 证。不需大型施工机具，可搭接粘结任意延长，无 明火作业，施工工期短。 碳纤维布加固工艺如下： ＭＰａ高强度低松弛钢绞线 １５．２×４束，锚杆注 浆采用自孔底向下反压注浆，孔口封堵并留注浆 排气孔，待砂浆强度达到设计强度后进行张拉。 张拉设计力根据现场调整一般为１２５ ｋＮ。 ２．３二次衬砌加固措施 ２．３．１衬砌内表面嵌型钢加固方案 对掉块位置进行围岩加固后，设置一定厚度 碳纤维布沿隧道环向满铺（边墙及拱部），环 带宽一般１．５ ｍ，纵向每隔１．５～３．０ ＩＴＩ布设一 道。施工流程为：混凝土表面处理一预涂底胶一 刮腻子一粘贴碳纤维布一养护一涂刷专用漆。 双层钢筋网衬砌或喷射钢纤维衬砌，钢钎维的比 例控制在１．５ ，同时架设Ｉ １８环向型钢衬砌，纵 向间距１．０ ｉｎ。将开裂位置二衬全部凿出，在二 衬铺设１０ ｃｍ×１０ ｃｍ的直径６ ｍｍ钢筋网２层。 在２３ ｃｍ厚、宽２０ ｃｍ二衬混凝土位置嵌入Ｉ ｌ８ 碳纤维布及配套粘结材料性能指标见表３。 表３碳纤维布及粘结材料主要性能指标 环向型钢。此方法相当于采用型钢混凝土对衬砌 加强，能有效提高衬砌抗弯抗拉性能，有效阻止裂 缝产生。 ２．３．２衬砌内表面嵌碳纤维布加固方案Ｌ４］ 对掉块位置设置双层钢筋网衬砌或喷射钢纤 维衬砌，对裂缝位置采用１．５ 的喷射钢钎维混 ２．４经济比选及经济效果 两种方案的经济比选及经济效果根据投标时 凝土修复后，全断面铺设碳纤维布进行衬砌加固。 碳纤维布加固设计、施工及验收标准可参照 《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 （ＣＥＣＳ １４６：２００３）执行。 的清单造价进行计算，见表４。 由表４可见，以上两种方案都能达到较好的 加固围岩、控制变形的效果，两种方案都不会造成 碳纤维布具有强度高、自重轻、柔性好、施工 方便等优良性能，以及耐酸碱、抗腐蚀的特点。在 隧道衬砌表面粘贴碳纤维布后，相当于增加了衬 砌内侧配筋率，提高了衬砌抗弯抗拉性能，有效阻 隧道净空侵限。方案一施工工程量略大，受力较 为稳固，方案二施工方便快速，能提高结构抗弯性 能，防止表面裂缝发展，同时能起防水作用。通过 经济性分析，认为方案一在工程费用上更合理。 表４工程数量与单价表 ３优化、修正后方案 在实施该方案时，考虑封闭左线方案，绕道右 皇 在修补初期，钻眼打孔时振动二衬，出现了裂缝继 ２０１ｉ年第２期 郝才平等：沪蓉西扁担垭隧道二衬补强加固处理方案的探讨及实施 ６９ 续开裂的情况，暂停施工。指挥部和施工单位考虑 以上原因对该方案进行了修正、补充和优化。 ３．１ 围岩加固措施 由于本隧道处于极高地应力软岩区，围岩较 破碎，在施工时尽量避免对围岩扰动，保证施工及 通行安全。 ３．１．１设临时支护 在ＺＫ４３＋９６４～ＺＫ４３－ｔ－９７４二衬开裂段设 置临时钢拱架支护加固，临时支护采用Ｉ １８工字 钢，纵向间距５０ ｃｍ，环向用 ２２钢筋连接，间距 ｌ ｒＩ１，拱脚处用双层西２２锁脚锚杆固定，长度３ ｍ， 间距０．６ ｒｎ×０．６ ｒｌｌ，梅花型布置。 钢拱架在洞外加工成型，运至现场直接拼装， 为确保交通运营，钢拱架施工只能单边安装。先 施工行车方向左侧拱架，拱架采用膨胀螺栓暂固 定在二衬混凝土面，拼装完成后再安装右侧拱架， 形成闭合受力体系，必须保证钢拱架与二衬表面 密贴，空隙处用木楔楔紧。 ３．１．２采用锚杆及小导管加固 ＺＫ４３＋９６４～ＺＫ４３＋９８Ｏ段周壁采用直径 ３２ ｍＩＴｌ自进式锚杆及直径４２ ｒｎｍ注浆小导管进 行围岩加固，具体操作如下： （１）施作直径３２ ｍｍ自进式锚杆，注浆加固 使二衬与围岩连成整体，锚杆长度９ ＩＴ１，纵、环向 间距１．２ ＩＴＩ×１．２ ｉ＂ＴＩ，梅花型布置。 自进式锚杆的施工流程为：施工准备一测量 定位一钻人锚杆一锚杆注浆一安设锚垫板。由于 其施工场地限制，自进式锚杆每截长度为１．５～２ ｉ３１，施作时逐段接长，锚杆钻入完成后，压注水泥 浆液，浆液从锚杆末端进人，通过锚杆空腹及中空 钻头从锚杆前端溢出，返回至锚杆尾部进行注浆， 保证完全填满锚杆周围的空隙。待浆液达到一定 强度后，安装锚垫板，锚垫板与二衬表面紧密贴 紧，拧紧螺帽，使二衬与围岩连成整体。 （２）施作直径４２ ｒｎｍ小导管注浆加固，使围 岩４ ｍ范围内固结成环，小导管长度４ ｒｎ，纵环向 间距１ ｒｎ×１ ｍ，梅花型布置，注浆时压力不大于 １．０ ＭＰａ。 注浆小导管施工流程为：施工准备（小导管制 作）一测量定位一钻孑Ｌ一安放小导管一注浆。小 导管施工应注意以下几点： ①小导管采用直径４２ ｍｍ无缝钢管制作， 前端加工成圆锥形并封焊密实，管身设若干溢浆 孔，孔径６～８ ｒｎｍ，孔距ｌＯ～２０ ｍｅｎ，按梅花型排 列；后端ｌ ｍ范围内不设溢浆孑Ｌ，管尾设一加圆 环，并保持管身顺直。 ②小导管按拱顶外轮廓中心高程和支距进 行布孔放样，并用油漆标记小导管位置。 ③小导管插入钻孔后外露１ｊ～２０ ｃｍ，以便 连接注浆管路，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵 密实，注浆完成后清理现场。 ３．２ 二衬修复及加固（ＺＫ４３＋９６４～ＺＫ４３＋ ９８Ｏ） （１）在裂缝处采用环氧树脂灌浆封闭。 （２）拆除临时拱架，清除防火涂料，凿毛二衬 混凝土表面。 （３）－－￣，ｔ修复段挂直径１４ ｍｍ单层钢筋网， 钢筋网间距２Ｏ ｃｍ×２Ｏ ＣＥＩ，钢筋网片固定在自 进式锚杆末端上，湿喷１Ｏ ｃｍ厚Ｃ３ｏ钢纤维 混凝土。 （４）防火涂料恢复。 ３．３修正方案补强费用 采用修正方案后补强费用见表 。 表５修正方案补强费用表 修正后方案与方案一在造价上相当。 ４ 结语 （１）此修补方案对探索特长隧道运营时出现 质量问题，修复二衬，积极保证通车，消除安全隐 患起到了很好的作用。 （２）方案在实施过程中仍需加强对开裂、掉 块段的监控观测，随时掌握裂缝发展动态，及时反 馈监控信息。 （３）隧道修补方案均应注意对破损的防水层 进行修复。二次衬砌加固完后，补喷防火涂料，还 要对衬砌的变形、有无开裂及渗水等情况进行监 测，以确保衬砌结构安全及运营安全。 参考文献 ［１］杨吉旺．南风坳隧道坍方的处理及预防措施［Ｊ］． 交通科技，２００５（３）：７３—７５． ［２］李兴国，陈立强，赵东寅．基于ＡＮＳＹＳ荷载结构法 的浅埋明挖隧道受力分析［Ｊ］．采矿技术，２００８（３）： ３７－３９． ［３］韩伟香．小管棚双液注浆法在隧洞塌方处理中的应 用［Ｊ］．交通科技，２００７（４）：４０—４３． ［４］ 赖金星，吴启勇，李宁军．碳纤维布在公路隧道衬砌 裂缝治理中的应用［Ｊ］．建筑科学，２００６，３７（４）： ２７９—２８１