运营隧道衬砌裂缝及渗漏水病害整治技术研究

2018-07-02曾晓东

水利与建筑工程学报 2018年3期

曾晓东

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

随着我国交通建设的蓬勃发展，修建的高等级公路、铁路隧道数量越来越多。由于地质、环境、施工缺陷及不可抗力等方面的原因，在运营过程中隧道衬砌出现不同程度的开裂并伴随渗漏水等病害现象，衬砌裂缝及渗漏水不仅影响衬砌的美观，同时对衬砌的稳定性、接触网安全等造成较大的影响，严重情况下甚至影响铁路的正常运营和使用安全。目前，对于隧道衬砌裂缝的处理通常采用粘钢法、套拱加固法、注浆加固及其它加固方法，对渗漏水主要采取以堵为主，局部引排的措施。张民庆等[1-4]对隧道裂缝成因和案例进行了分析。刘颖等[5-6]对衬砌结构外空洞对衬砌结构进行了相关评价。吴启勇等[7-8]对衬砌表层粘贴碳纤维布进行了研究，并取得了相关的实践经验。黄庭华等[9-11]对隧道渗漏水病害采用引排和注浆进行了分析。各种加固措施均存在各自的优缺点及适用范围,本文针对某铁路隧道裂缝采取了打设注浆锚杆加粘贴碳纤维布加固技术进行了处理，对渗漏水采用了拱部注防水型TGRM水泥基特种灌浆料进行注浆加固，边墙开槽引排的措施进行处理，通过现场试验及后期观测分析，取得了较好的效果。

1 研究背景

本文以某铁路隧道衬砌裂缝病害整治为工程背景，隧道进口里程K150+098.58，出口里程DK158+420，全长6 407 m，设计为双线隧道。隧道位于太行山山脉中部，系舟山山系北端，横穿寺铺山，属剥蚀高中山区，地形起伏大，山势陡峻，山顶多为尖顶状，山脊呈鱼鳍状，沟谷深切，多呈“V”字型。

工程从1996年7月开工，至1999年10月工程完工，开通运营。线路中心间距为4 m，隧道内设有照明设备，隧道建成于1999年，运营至今。

2 衬砌裂缝及渗漏水病害调查及分析

2.1 衬砌裂缝及渗漏水病害现场调查

衬砌裂缝病害的整治必须以结构可靠性为依据，通过现场调查、分析，对裂缝部位、成因、等级等做出判定，并根据裂缝的当前的发展程度、运营环境和有无伴随其它病害等进行系统分析，有针对性的选择切实有效的修补方法进行处理。

(1) 裂缝及渗漏水病害资料收集[11]。① 隧道修建的年代、地理位置；② 隧道竣工图纸及相关；③ 隧道开挖揭示工程地质、水文地质及变更情况；④ 施工日志及监理日志等现场资料；⑤ 隧道竣工验收资料。

(2) 现场裂缝及渗漏水调查和分析。采用钢尺、量角器、铁锤及细钢丝、水桶、小型水泵等设备对衬砌裂缝所在部位、裂缝长度、角度、宽度、深度以及裂缝处是否渗漏水，渗漏水水量、水的侵蚀性、裂缝背后是否空响等各种状态进行详细的调查。同时，对裂缝所处部位、裂缝趋势、渗漏水状况等均绘出详细的书面记录和影像资料，对各个裂缝及渗漏水点进行相应的编码，确保记录准确无误，为后期分析提供切实可靠的依据。

2.2 衬砌裂缝病害统计分析准则

根据裂缝宽度、长度及程度级别的裂缝统计见表1[13-14]。

表1 裂缝及渗漏水病害量化指标

2.3 衬砌裂缝及渗漏水病害统计结果及裂缝机理研究

对衬砌裂缝及渗漏水病害等进行了现场调查记录，该隧道裂缝以纵向为主，且同时伴随斜向、环形、网状等多种裂缝并存，且δ≥5 mm的裂缝比例较大。分布于拱顶及边墙的裂缝处大部分同时存在渗漏水病害现象。根据《铁路桥隧建筑物修理规则》[15](TG/GW 103—2010)，该隧道主要裂缝情况统计见表2、表3。

表2 裂缝类型统计表

表3 裂缝部位统计表

对该隧道裂缝进行综合分析可知：隧道拱部及两侧拱腰部位裂缝分布较多，且以纵向裂缝为主，伴随斜向裂缝，拱顶部分存在网状裂缝及环形裂缝等病害；施工缝在运营阶段多发展为环向裂缝，且大部分伴随存在渗漏水病害；边墙部位则多发生纵向裂缝，局部裂缝处存在错台。经过调查，其原因主要为拱部或拱腰部位处衬砌背后存在空洞，不密实等现象，造成围岩松动、受力不均所致，拱顶网状裂缝主要为衬砌厚度不足，围岩松动掉块所致；环向裂缝处混凝土碳化较大，主要为施工质量不达标造成；其余裂缝则可能由于地下水发育，造成围岩弱化，受力不均所致[16]。

3 衬砌裂缝及渗漏水病害整治

3.1 衬砌裂缝病害整治

针对本隧道病害段工程地质及水文地质条件及病害分布程度，结合既有线行车、施工要求及技术要求，采取安全、行之有效、技术可靠、经济合理的措施。根据裂缝调查分析概况，有针对性的对裂缝处理制定了相应的病害处理原则和方案。

(1) 表面封闭法。一般情况下，宽度小于0.5 mm以下的边墙局部裂缝，如果无水渗出，其对隧道的安全性和稳定性影响不大，可用钢丝刷将裂缝两侧清洗干净，采用涂抹材料(环氧砂浆、早强水泥砂浆、结晶渗透性材料等)，按一定比例配置，直接涂抹。如裂缝中有水渗出，应先堵水，再涂抹裂缝。

(2) 局部裂缝注浆及锚固。经过现场调查，当衬砌裂缝宽度0.5 mm≤δ<1 mm时，裂缝深度通常不会贯通衬砌厚度。针对此类裂缝在两侧间隔1 m设置长度约3.5 m的砂浆锚杆加固结构，同时对衬砌裂缝高压注入水泥浆进行封闭处理，注浆压力可现场试验确定，一般应大于1.0 MPa。

(3) Φ32自进式锚杆+裂缝注浆+粘贴碳纤维布加固(见图1)。

图1锚杆注浆加固及裂缝注浆处理

① 在裂缝两侧间隔0.75 m设置Φ32自进式注浆锚杆，锚杆的长度可根据竣工图纸中围岩状况确定，一般情况下应打入坚硬的岩土体1 m以上。

② 锚杆打设完毕后，采用封堵胶对裂缝进行封堵处理，同时在裂缝内间隔1.5 m设置一处针管式注浆管，封堵完毕后对裂缝注入TGRM水泥基特种灌浆料(水灰比0.4)充填裂缝空隙，注浆压力可通过现场试验确定，或可采用0.3 MPa～0.5 MPa。

③ 裂缝注浆封堵后，清除裂缝两侧衬砌表面杂质、浮沉等，涂刷水泥基渗透型结晶防水涂料，同时粘贴碳纤维布对裂缝进行加固处理，确保裂缝处理的牢固性，耐久性。

(4) Φ32自进式锚杆+掏槽修复+粘贴碳纤维布加固(见图2)。

图2锚杆注浆加固及凿槽修补

① 在裂缝两侧间隔1 m设置Φ32自进式注浆锚杆，锚杆的长度可根据竣工图纸中围岩状况确定，一般情况下应打入坚硬的岩土体1 m以上。

② 锚杆打设完毕后，在裂缝处凿除4 cm×8 cm×5 cm(内宽×外宽×深)的梯形槽，裂缝两端向外延伸10 cm，并清除槽内的杂质。

③ 在凿除的槽道内充填聚合物改性水泥基砂浆修补，同时间隔1.5 m设置一处针管式注浆管，槽道修补完成后对裂缝注入TGRM水泥基特种灌浆料(水灰比0.4)充填裂缝空隙，注浆压力可通过现场试验确定或可采用0.3 MPa～0.5 MPa。

④ 裂缝注浆完毕后，清除裂缝两侧衬砌表面杂质、浮沉等，涂刷水泥基渗透型结晶防水涂料。

⑤ 沿裂缝两侧粘贴碳纤维布对裂缝进行加固处理，确保裂缝处理的牢固性，耐久性。

(5) 衬砌结构内侧增加拱架加强见图3。当衬砌结构裂缝宽度达到5 mm～10 mm，同时出现斜向、环向裂缝等相互交叉处，在衬砌结构不至于发生整体失稳，但可能出现局部掉块的部位，可采用掏槽嵌入钢拱架的加强措施对既有衬砌进行补强，确保结构的整体稳定性。

图3衬砌表面拱架补强图

① 对隧道衬砌表层出现松动，腐蚀的部分进行凿除，同时清理结构表面附着的油污等杂质。

② 对衬砌凿除部分植入钢筋网片，采用修补砂浆充填密实。

③ 测量钢拱架设置部位的隧道轮廓，拱部轮廓满足规范要求部位可将拱架紧贴衬砌表面，两侧及拱架底部位置在衬砌结构内掏槽，槽深满足拱架放置需求即可。

④ 为了便于安装，单次安装不宜过长，尽量采用等长的段落组装，钢架需做防锈措施。

⑤ 为了钢架具有刚好的整体稳定性，为既有结构提供有效的支撑，拱部钢架与衬砌表面空隙处填塞扁钢支撑，确保钢架与既有衬砌结构形成整体，相邻拱架之间采用Φ22螺纹钢筋纵向连接，连接钢筋位于钢架内侧，环向间距可采用0.5 m。拱架连接处采用锚杆将拱架牢靠固定在既有衬砌及围岩内部，对空隙处采用修补砂浆充填密实。

⑥ 为了确保钢架的耐久性能，对出露的钢架、连接钢筋等应做好防锈蚀和绝缘措施。

⑦ 为了确保既有隧道运营安全，安装钢架安装应做好接地措施。

3.2 隧道衬砌结构渗漏水

(1) 隧道拱部。基于隧道拱部存在空洞，存在裂缝和渗漏水的部位可采用注入泡沫混凝土充填空洞，空隙处采用加压注入防水型TGRM特种灌浆料进行加强，注浆压力现场试验确定，一般为0.4 MPa～0.6 MPa，注浆后做到拱顶密实，衬砌不漏水的效果。

注浆管可采用Φ42 mm，壁厚3.5 mm的无缝开孔钢花管(见图4所示)。

图4注浆管构造图

钢管前端宜做成圆锥状，在后端焊接钢筋箍，管体布设梅花型溢浆孔，钢管呈梅花形布置，横、纵向间距均为2 m，单孔有效扩散半径1.5 m。

(2) 边墙渗漏水。针对边墙渗漏水，临空侧凿除160 mm、围岩侧凿除200 mm宽楔形槽，内部埋设Φ80 mm排水管，同时在排水管处增设Φ40 mm斜向泄水孔将衬砌背后的渗水引排至既有隧道侧沟的措施进行处理，楔形槽自内向衬砌表面依次采用2 cm厚钢丝堵漏剂隔水层、不小于0.8 mm厚的抗渗剂、2 cm厚地热保温板、2 cm厚钢丝修补剂填充楔形槽。在洞口寒冷地段采用埋设融冰超热导管，确保冬季不结冰，排水顺畅(见图5、图6)。