大断面公路隧道衬砌裂缝处治技术

朱国领

(辽宁大通公路工程有限公司 沈阳市 110179)

0 引言

公路隧道二次衬砌是通车运营的安全保障。二衬一旦产生裂缝,会影响后期安全运营,需采取相应的补强措施,加强裂缝位置混凝土的抗拉、抗压、抗剪强度。

1 工程概况

昆明绕城高速公路东南段杨林隧道位于昆明市嵩明县杨林镇甸头村,是绕城高速控制性工程,为双线分离式双向六车道公路隧道,设计速度80km/h。左线起讫桩号ZK13+250～ZK22+680,全长9410m,右线起讫桩号K13+270～K22+712,全长9462m,属特长隧道。隧道行车道宽W=3.75m×3m,行车道净高H=5m,主洞采用拱部R1=8.6m,侧墙R2=5.3m的三心圆衬砌段面,内轮廓净空宽度15.266m,净空高度7.75m;紧急停车带采用拱部R1=10.58m,侧墙R2=5.3m的三心圆衬砌断面,内轮廓净空宽度18.066m,净空高度8.33m;正洞净宽14.0m,净空面积97.2m2,净空周长40.08m。杨林隧道左幅ZK14+940～ZK18+360、右幅K15+000～K18+340洞身段岩溶发育以垂直方向为主,地表表现为落水洞、石芽以及垂直溶隙等。在岩溶发育区风化裂隙发育,风化岩层较为破碎,落水洞附近伴有岩溶塌陷现象,裂隙水和岩溶水极为丰富。

2 衬砌开裂情况

右幅K14+730～K14+770为紧急停车带,右幅 K14+730为紧急停车带封端,其中K14+720～K14+730围岩主要由页岩和泥质砂岩组成,软弱夹层发育,围岩破碎潮湿,拱部和拱腰围岩掉块严重[1]。K14+720～K14+730初支由SF4c调整为SF5a衬砌类型,拱架由I18钢架调整为I22b拱架,间距60cm/榀。喷射混凝土厚度由25cm加厚至29cm[2]。K14+722～K14+730二衬浇筑时间为2017年11月,2017年12月三方检测单位检测数据显示,K14+722～K14+730二衬厚度60～65cm(设计60cm),K14+729.3～K14+730段SF5jt1二衬封堵墙厚度75cm(设计70cm),厚度均符合设计要求,混凝土28d实测强度值40.3MPa、41.0MPa符合设计及规范要求。2018年6月,发现K14+724～K14+730出现裂缝,K14+730端头二衬裂缝为剪切裂缝。裂缝位于线路中心偏左侧,裂缝在封端头表面呈左侧至拱顶略向下倾斜状,裂缝外露长度1.9m,沿二衬表面从K14+730处开始向小里程开裂(终止于风机预埋件预留槽位置K14+724),沿纵向长度3.8m。此外还有三条环向裂缝和一条纵向裂缝,处治平面图见图1。

图1 K14+724～K14+730裂缝处治平面图

3 处治方案及措施

根据现场观察,上述二衬裂缝发展基本趋于稳定。具体处治原则如下:在裂缝及周边范围打设中空注浆锚杆[3],修补裂缝,再于裂缝位置黏贴双层纤维复合材料。

3.1 锚杆施工

(1)锚杆加固中,锚杆长度4.5m,采用Φ25mm×5mm中空注浆锚杆,1.0m×1.0m梅花形布置。锚杆钻孔直径42mm。锚杆沿隧道衬砌表面径向布设,详见图1。

(2)锚杆尾端设垫板,紧贴衬砌表面,垫板尺寸150mm×150mm×6mm(长×宽×厚),并应施加不小于50kN的锚固力。锚杆抗拔力不小于70kN,锚杆尾端采用改性环氧树脂防水砂浆封闭,沿锚杆周围封闭范围及封闭厚度不小于5cm。封锚后锚杆尾端突出衬砌表面不大于10cm。

(3)锚杆施工前应先清除表面剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化部分及附着物,表面应平整、干燥、清洁。

(4)应在检验合格的钻孔中插入装好锚杆头的锚杆,安装止浆塞、垫板、螺母。注浆时应注意将眼孔中的气体排出,确保浆液注满孔体。水泥浆水灰比控制在0.45～0.5:1,注浆压力控制在0.5～1.0MPa。

(5)锚杆注浆量需采用有效措施进行记录,做好监督,并在下一步工序开始前检查各项数据、性能、质量。

3.2 裂缝处治

(1)该处治适用于衬砌表面裂缝和加宽带与主洞封堵墙裂缝。

(2)处治裂缝前,应对缝口表面进行处理,使表面平顺、干燥、无附着物,处理范围沿裂缝封闭胶,封闭宽度沿裂缝两侧宽度不应小于50mm。

(3)对于宽度在0.2mm以下的裂缝:采用表面封闭法处治,封闭材料采用粘度低、渗透性良好的裂缝封闭胶,封闭宽度沿裂缝两侧宽度不应小于50mm[4]。涂刮裂缝封闭胶后,应完全覆盖缝口处理范围,涂胶不少于3次,直至封闭裂缝通道。

(4)对于宽度大于0.2mm的裂缝:采用注射法处治,注浆材料采用低粘度、可注性好的改性环氧树脂类胶液。注浆孔沿裂缝走向采用骑缝或斜缝布置,孔间距100～500mm,注射压力0.1～0.3MPa。施工过程中宜采用低压慢注方式,可根据工程实际情况适当调节注胶压力。环向、斜向裂缝注浆应自上而下进行,进胶速度小于0.05L/min后,再继续灌注5min后停止。

(5)裂缝宽度小于0.5mm时,采用环氧胶泥进行裂缝表面封闭。缝口表面应封闭均匀、粘结牢固、不漏气,然后再进行注胶。

(6)裂缝宽度不小于0.5mm时,应开槽填充后再进行注胶,开槽槽型宜为倒梯形,深度和宽度分别为20mm和15mm,填充材料改为聚合物改性水泥砂浆。填充封闭时,槽内应清理干净,填充密实,并在填充材料达到要求后进行注胶。

3.3 纤维复合材料施工

(1)纤维复合材料采用条带状黏贴方式,幅宽20cm,布设范围延伸至裂缝外100cm,避开锚杆位置,详见图2。

图2 K14+724～K14+730裂缝处治效果图

(2)黏贴纤维复合材料施工前,应对二次衬砌基面进行处理,清除衬砌表面剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化部分及其附着物,表面平整、干燥、清洁。

(3)黏贴纤维复合材料加固由衬砌表面向外依次为底胶、不平整修复层、结构胶、纤维复合材料、防火层[5],并应符合以下规定:

(a)条状黏贴纤维径向与裂缝方向垂直。

(b)沿纤维受力方向搭接不应小于100mm,搭接应避免设置在衬砌开裂部位。

(c)底胶应涂抹均匀,不得漏刷、流淌或有气泡。胶面应保持平整,有毛刺时打磨平顺并补胶。底胶涂刷完毕静置固化不触变后,再进行下一步工序。

(d)纤维复合材料黏贴沿纤维方向滚压,使胶液充分浸渍纤维复合材料,均匀压实,无气泡。黏贴第二层纤维复合材料时,应待上层指触干燥后及时黏贴下一层[6]。两层纤维复合材料搭接位置不应在同一截面,每层搭接位置净距大于200mm。黏贴结束后,按设计要求涂刷防火涂料。

(e)黏贴纤维复合材料宜在环境温度5～35℃,混凝土表面含水率低于4%的条件下进行。

(4)黏贴纤维复合材料加固施工质量控制应符合以下要求:

(a)黏贴纤维复合材料加固施工质量控制实测数据应符合表1要求。

(b)纤维复合材料应无折痕,搭接长度应满足设计要求;胶体浸渍应饱满,表面无气泡、翘边。

4 施工质量控制要点

(1)采用注射法时,应在裂缝封闭固化后进行压气试验,并符合下列规定:

(a)试验前应沿裂缝涂一层肥皂水,再从注胶嘴压入空气。

(b)注胶嘴中气压达到3.0MPa,部分注胶嘴仍不通气时,应重新埋设注胶嘴,并缩短其间距。

(2)采用注射法施工,修复胶达到固化期时,应钻取芯样进行检验。

(a)取样数量应按裂缝注射分区确定,每区不少于2个芯样。

(b)芯样应骑缝钻取,应尽量避开内部钢筋。

(c)芯样直径不应小于50mm。

(d)取芯造成的孔洞,应采取高于原衬砌混凝土1个强度等级的细石混凝土填实。

(e)芯样检测应采用劈裂抗拉强度测定方法。沿裂缝方向施加的劈力,其破坏应发生在混凝土内部;裂缝修补界面破坏面积不大于破坏总面积的15%,劈裂抗拉强度测定方法按照现行《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2013)执行。

5 结论

文章以昆明绕城高速公路东南段杨林隧道进口右线工程为依托,对该工程概况,处治衬砌裂缝的原则、措施、施工控制要点等方面进行分析总结,得出以下结论及建议:

(1)针对剪切裂缝采取应力分散措施,中空注浆锚杆梅花形布置并注浆,可有效分散应力,减少应力集中,避免再次偏压剪切[7]。

(2)宽度不同的裂缝,处治方法不同。主要方法有:表面封闭法、注射法、裂缝表面封闭注胶法、开槽封闭注胶法。

(3)纤维复合材料具有良好的受力性能。施工中,控制好主要项目可增强裂缝位置混凝土抗压、抗拉、抗剪强度,为通车运营提供安全保障。