钢带支护系统在重载铁路隧道衬砌开裂整治中的应用

王定举

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350)

钢带支护系统在重载铁路隧道衬砌开裂整治中的应用

王定举

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350)

朔黄铁路寺铺尖隧道有多处衬砌混凝土出现交叉开裂或错牙开裂。结合现场勘查以及无损检测情况，对隧道衬砌开裂原因进行了分析。考虑到朔黄线天窗修状况，提出采用“W钢带+钢丝网+平钢带+锚杆”的联合支护方案进行病害整治。通过工程类比并结合现场条件阐述了该加固方案的设计参数、施工工艺以及施工注意事项。加固方案实施后，取得良好整治效果。

衬砌病害 加固方案 W钢带支护 方案设计

1 隧道概况

朔黄铁路寺铺尖隧道为双线隧道，位于山西省五台县与盂县交界处，起止里程K150+098.58—K156+ 505.58，隧道全长6 407 m。隧道内除洞口加强段及部分地段采用普通模筑混凝土衬砌外，其余均采用复合式衬砌。

该隧道地处太行山中部，系舟山山脉北端，横穿寺铺山，地形起伏大，多呈V字形，最大埋深927 m。隧道穿过的地质构造主要有区域构造褶皱、断裂构造及节理，隧道范围内有12条断层，除F12为逆断层外，其余均为正断层。F12断层延伸最长，断距最宽，断层破碎带主要为角砾状灰岩、灰质页岩及断层泥。进口标段K152+013—K155+165穿过F1～F12断层，穿过地层主要为寒武系泥质灰岩、页岩及混合花岗岩，主要为水平岩层。地下水主要为基岩裂隙水、构造裂隙水和岩溶水三种。

2 衬砌病害及成因分析

工务部门在对隧道进行例行检查时发现隧道拱顶及拱腰衬砌多处开裂，裂缝呈交叉状、月牙形，延伸较长，裂缝宽度较大且伴随错牙等情况(图1)。

图1 衬砌病害示例

具体情况为:

1)K153+895—K153+925右拱顶纵裂长8 m，宽5～7 mm，错牙5～7 mm。左拱腰至右拱腰衬砌空响长15 m，宽7 m，面积约为105 m2;

2)上行K153+753—K153+768拱顶裂纹呈圆形，裂纹长度7 m，缝宽3～20 mm，错牙25 mm，病害等级为AA级。

通过对病害部位进行裂缝调查、打击声检查、钻孔配合内窥镜检查及探地雷达无损检测，并结合整治过程中发现的情况可以判断病害原因主要有以下三个方面。

1)衬砌混凝土施工质量差

施工时有超挖现象但没有采取处理措施，致使二衬背后有较大空洞，同时，浇筑衬砌混凝土时不能做到多个灌浆口灌注，导致衬砌混凝土厚度严重不足(二衬混凝土设计厚度为30 cm，现场量测厚度均不足20 cm)，再加上振捣、养护差，最终导致衬砌混凝土整体质量较差，承载能力低。

2)塌方段处理不当

利用探地雷达对隧道衬砌进行无损检测过程中发现二衬背后存在空洞及回填不密实情况(图2)，其后在人工凿除病害衬砌处劣化混凝土过程中发现大量施工中遗留的废弃材料掺杂在混凝土中，在钻孔中用内窥镜对空洞内进行观察时发现空洞顶部有类似木支撑等支护措施(图3)。

图2 探地雷达检测剖面

图3 二衬混凝土中杂物

由上述情况可以推断，病害处在施工时应当发生过塌方，但当时未采取有效措施进行处理，仅将围岩用木支撑支护后就模筑二衬，未对背后进行充分回填。

3)集中荷载冲击作用

由于地下水作用及地质运动，空洞上方岩体逐步松弛、脱落而使衬砌受到冲击(图4)。当衬砌强度充分时不会造成破坏，而当衬砌强度不足，承载力不够时就会发生破坏，产生半月形或发散状交叉裂缝，严重时直接破坏衬砌，威胁行车安全。

3 钢带支护系统方案设计

针对隧道衬砌交叉裂缝及网状裂缝，整治方案一般有如下三种:①裂缝修补+压注修补胶;②挂钢筋网片+喷射钢纤维混凝土;③凿槽内嵌钢轨或型钢拱架。以上方法在隧道病害整治中均采用过，但对该处病害实施起来均有难点。裂缝修补法虽然可以在一定程度上恢复衬砌混凝土的完整性，但对于提高结构承载能力效果有限。网喷混凝土可以很大程度上提高结构承载能力，但由于是在运营线路上利用天窗点施工且需对整个拱顶衬砌表面凿毛处理，工艺复杂，对运营安全有影响。因为病害段衬砌混凝土厚度严重不足且裂损情况严重，凿槽内嵌拱架容易将衬砌凿穿，对隧道形成二次破坏。鉴于上述情况，将钢带支护系统应用于此处病害整治。

3.1 钢带支护系统原理

钢带支护系统是指将锚杆、平钢带、W钢带及钢筋网片组合而成的支护系统。相对于单一的支护方式，钢带支护系统可以将不同的支护部件连接起来形成一个整体，显著改善各个支护部件的受力，使其更好地发挥支护作用。

W钢带是一种新型支护材料，由高强钢板制成，截面形状似W形(图5)。与普通钢带相比，由于冷轧硬化的作用，它具有更高的抗拉强度、抗弯模量和刚度。通过它可以把分散的多根锚杆联接起来，形成一个整体承载结构，显著地提高锚杆的整体支护效果，对处理不稳定围岩效果显著。采用该技术加固隧道衬砌也使混凝土衬砌与钢带共同受力，从而有效提高衬砌结构的抗弯和抗剪性能。

图4 集中荷载作用示意

图5 W钢带

3.2 钢带支护系统设计

根据衬砌病害实际情况，综合考虑隧道净空及施工可行性，以防止劣化混凝土掉块及增强结构承载能力为主要目标，初步拟定支护系统各参数。

1)锚杆。锚杆采用φ25或者φ32中空锚杆(图6)，沿钢带环向布置。锚杆长度应保证入岩深度不小于1.0 m。锚杆环向均匀布置;锚杆环纵向间距均为1.5 m。中空锚杆需灌注加固型TGRM水泥基特种灌浆料，施工时按先两侧后拱顶的顺序打设。必须保证锚注质量，使锚杆抗拔力满足规范要求。

图6 锚杆构造

2)平钢带。平钢带选用300/5型镀锌钢带，沿隧道纵向粘贴，环向间距1.5 m。粘钢胶需满足《混凝土结构加固设计规范》的规定。

3)W钢带。W钢带采用WX300/5型镀锌W钢带(图7)，根据施工前应用隧道断面扫描仪扫描的结果在工厂对其弧度进行加工。W钢带沿环向铺设并采用锚杆拉紧，沿隧道纵向间隔1.5 m布设。

图7 W钢带横截面(单位:mm)

钢带支护系统整体设计如图8所示，各部件接触如图9所示。

图8 钢带支护系统展开布置示意(单位:cm)

图9 各部件接触示意

图10 钢带支护系统施工流程

图11 联合支护系统现场施工

3.3 施工注意事项

施工流程见图10。“W钢带+锚杆+空洞填充”联合支护系统现场施工情况如图11所示。

为达到衬砌补强效果，切实提高衬砌承载能力，达到设计要求，在实际施工中要严格按照设计施工，并严格控制以下施工要点。

1)仔细观察混凝土有无裂缝、破损等，将破损处疏松、剥落、腐蚀的劣化混凝土剔除干净，露出混凝土结构层。衬砌混凝土的打磨清洗质量是平钢带是否可以粘贴牢固的关键。

2)W钢带及平钢带采用液压开孔器、磁力钻成孔，成孔位置要与混凝土件上的孔洞相符。氧气切割开孔会破坏镀锌层并破坏钢带完整性，严重影响其使用性能，禁止使用。开孔位置的偏差造成施工安装困难，故必须保证开孔位置的精确。

3)结构胶使用前必须先把各组分分别在包装桶内搅拌至均匀(结构胶在停放及运输过程中容易出现分层离析现象，事先必须分别搅拌均匀)，然后另取一个容器把用量较多的组分(主要成分)按比例称量，倒入容器后，再称量另一组分，混合在一起，并按同一方向搅拌，防止气泡的产生。

4)用小锤轻轻敲击钢材，如无空洞声，表明粘贴密实，如空洞声范围较大，表明不密实范围较大，须将钢材拆下，重新粘贴。如有个别空洞声，表明局部不密实，需补胶。一般锚固区密实度应在90%以上，非锚固区密实度应在70%以上。

5)锚杆安装时必须保证涨壳件完全张开并卡紧，以保证未注浆前承载能力。TGRM注浆必须饱满密实，满足拉拔要求。

4 结论

1)“W钢带+钢丝网+平钢带+锚杆”联合支护系统在朔黄铁路寺铺尖隧道衬砌病害整治工程中取得了良好的整治效果，丰富了我国隧道病害整治工艺。

2)工程实践表明，“W钢带+钢丝网+平钢带+锚杆”联合支护系统既能对裂损衬砌进行结构修复补强又能提高结构承载能力，能满足多种隧道衬砌病害的整治要求。

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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

(责任审编李付军)

2014-11-26;

2015-01-17

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00)

王定举(1971—)，男，四川南部县人，高级工程师。