【隧道衬砌开裂补强措施探究6400字（论文）】

第7页隧道衬砌开裂补强措施研究摘要：随着当前我国高速公路的迅速发展，隧道建设己经迈入了一个新的历史阶段，正由隧道大国向技术强国迈进，山岭隧道工程越来越多。通过查阅大量参考文献，着重分析目前隧道工程测量所引用到的相关测量资料，在前人对轨道隧道监测技术及理论研究的基础上，结合目前隧道工程建设监测工作的需要，以青沙山隧道补强修复为研究背景，对隧道围岩监控量测及加固措施展开了全面的探讨。详细勘测收集隧道破损情况，经对裂缝形态的观测和发展状况的量测，分析开裂产生的原因，针对沙山隧道的破损程度做出了相应的补强修复措施。关键词:隧道；衬砌开裂；补强；处理目录1前言 32青沙山隧道施工监测及施工情况 32.1工程项目概述 32.1.1工程概况 32.1.2水文条件 32.2隧道施工监测 32.2.1支护设计 32.2.2基坑开挖设计 42.2.3土方开挖 53青沙山裂缝形态以及原因分析 53.1裂缝形态 53.2开裂原因分析 63.2.1围岩松弛引起隧道裂损 63.2.2偏压引起隧道裂损 63.2.3膨胀性土压引起隧道裂损 63.3衬砌开裂危害 64隧道衬砌裂缝的治理 74.1隧道加固加固方案设计 74.1.1衬砌裂缝修复 74.1.2衬砌的补强 74.2表面清扫、凿除及开裂压注 84.2.1表面清扫 84.2.2凿除 84.2.3开裂压注 94.3喷锚加固裂损衬砌 94.3.1补强加固所用材料的选择 94.3.2仰拱施工 104.3.3基底处理 105结束语 11参考文献 111前言在隧道施工过程中进行监控量测的研究工作具有重大的经济意义和实际应用价值，因为科学合理的监控量测工作可以迅速、准确的获取现场第一份实际量测数据，在对这些实测数据进行处理和分析和现场施工观测测试分析的基础上，及时、迅速的向建设方、总监办、驻地办和施工单位提供资料分析结果，提高隧道衬砌开裂补强施工。大量的施工实践表明，导致浅埋偏压连拱隧道衬砌混凝土开裂的原因较多，其中由于施工工序不当而导致的混凝土开裂问题特别值得关注。施工的顺利开展，因此，科学、规范的施工监测，可以以极小的投资协助、直接服指导施避免隧道施工的盲目性，以少的投资最快的完成隧道施工。2青沙山隧道施工监测及施工情况2.1工程项目概述2.1.1工程概况青沙山隧道右行线全长3340m，桩号为YK30+660(进口桩号)～YK34+000(出口桩号)，本合同段施工范围为YK32+300~YK34+000，（属出口段）共1700m。是本合同段乃至全线的重点控制工程。本合同地段位于直线上，纵坡为-1.95%。隧道内行车道宽度为2×3.50m，两侧各设0.5m宽路缘带，洞内左侧设1.0m宽的检修道，隧道建筑限界净宽为9.25m，净高5.0m。隧道内轮廓为单心圆，半径为5.2m，隧道拱顶高7.16m。区间在右CK20+279设置施工竖井一座，区间竖井开挖，开挖尺寸8×6m，深18.66米，区间隧道标准断面开挖，高6.43m，宽6.20m。2.1.2水文条件青沙山隧道主体采用曲墙式衬砌，除Ⅳ、Ⅴ类围岩为铺底外，Ⅰ、Ⅲ类围岩均设有仰拱，其中Ⅰ类围岩采用钢筋砼仰拱。根据勘察结果，场地内含水层均为第四系砂砾石孔隙含水层，主要赋存于第四系中更新统下荒山组冲积层和下更新统东深井组冰水堆积层的砂层中，地下水类型主要为孔隙承压水，透水性好，富水性强，稳定水位埋深10.4~25.0m，标高118.56~123.16m，年水位变幅2～3m。地下水位位于底板以下，局部地方地下水位与底板持平，隧道开挖受地下水影响不大。2.2隧道施工监测2.2.1支护设计明挖区间基坑顶部以上、场地原地面以下约3m范围高采用锚喷支护（冠梁顶位于同一标高），开挖放坡坡度为1：1，φ20插筋水平间距1.5米，竖向间距1.2米，长度位2米，打设角度10°。在开挖期间共设置两道支撑，在桩顶冠粱处设置第一道钢筋混凝土支撑，第二道支撑为直径600，t＝12钢管支撑，设钢腰粱。在基坑支护施工中要对基坑及周边的建筑物的变形及位移进行监测，采用拉森式Ⅲ型钢板桩，桩长15m。第一道钢支撑在挖土前预先拼装好，采用抽条开挖埋设，15m板桩不能一次打设到位，须将板桩分割成两段，接桩分段打入。在施打钢板桩之前，先用装载机和挖机配合将原地面整平，然后进行钢板桩施工。明挖隧道段基坑支护断面如图1所示。盾构始发井基坑支护断面如图2所示。图1明挖段基坑支护断面图图2盾构始发井基坑支护断面2.2.2基坑开挖设计明挖区间上部3m采用放坡开挖，锚喷支护，喷射混凝土厚度10cm，完成后进行桩间止水的旋喷桩施工，同时进行基坑土方开挖。挖土采用两台反铲液压挖掘机，开挖时，应合理确定开挖顺序、开挖深度，然后分段开挖。基坑开挖要分层分段进行，不可开挖太快，开挖各种基坑，如不能放坡时，应先沿白灰线切出轮廓线。当挖至离设计坑底标高30cm时，采用人工挖土修坡的方法平整基坑，不得超挖与扰动基底土，挖到设计坑底高程后，及时分块分段浇捣砼垫层以减少坑底土体回弹。明挖区间上部三米范围内开挖时每层开挖至设计锚杆钻孔位置下0.5m时，及时按设计做好喷锚支护，确保边坡稳定。在该层支护完成后方可进行下层土方开挖。2.2.3土方开挖明挖段及盾构始发井土方开挖主要包括以下几个方面的工程内容：始发井及明挖区间土方开挖、锚杆、内支撑、挂网喷砼、基底处理等。基坑开挖过程中，应加强对支护结构体系和基坑稳定性监测，作到每一深挖土步骤就要进行施监测。分层分段对称进行土方开挖，基坑两侧预留三角土护坡，每层台阶的长度，根据机械开挖作业要求，控制在8m左右。挖土采用两台反铲液压挖掘机，开挖时，应合理确定开挖顺序、开挖深度，然后分段开挖。3青沙山裂缝形态以及原因分析3.1裂缝形态隧道衬砌裂缝根据走向及其和隧道长度方向的相互关系，分为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝。环向工作裂缝，一般对于衬砌结构正常承载影响不大。拱部和边墙的纵向裂缝及斜向裂缝，破坏结构的整体性，危害较大。青沙山隧道坡顶滑塌主要发生在隧道入口段山坡，那里山坡陡峭，松散层较厚，有多次坍塌历史，每遇暴雨都有可能发生滑坡、泥石流。2009年5月开始，进口左、右线隧道及平导初期支护施工中先后多次发生较大变形，钢架发生变形扭曲，平导二衬混凝土表面严重开裂等问题，局部发生脱落。经过现场调查，发现青沙山隧道出口段K32+957、K32+948、K32+928处衬砌各产生一处环向连通裂缝，K32+960～K32+860段调平层原纵向施工缝均产生5～20mm张开性裂缝，调平层K32+885～K32+860段附近各产生一道约20m的纵向裂缝。边墙:上行线边墙有明显的裂缝。在K32+908区间，距基础约1.8m高处沿纵向多条裂缝，缝宽一般约1mm，还有其它方向的裂缝衬砌两侧边墙部位产生近2m的环向长裂缝，最大裂缝宽度为15mm。右线：YDK301+150～YDK301+225仰拱填充顶面范围出现3条裂缝，缝宽2mm～12mm，其中主裂缝位于YDK301+200～YDK301+225。YDK301+174～YDK301+178二衬拱部出现有2条裂缝，缝宽1mm。3.2开裂原因分析根据开裂情况，结合原设计施工图和有关会议纪要的实际施工情况，认为该段施工当时围岩为千枚岩和白垩系砂质泥岩，存在“饼化”现象，局部呈可塑状。3.2.1围岩松弛引起隧道裂损松弛地压由于围岩自然松弛，无法支持围岩自重而作用在衬砌上的荷载，是以垂直压力为主，隧道拱顶处沿纵向多产生张开性的裂纹。支护结构受力条件而言，应力分布是比较差的，可能导致结构体局部破坏或剪破坏影响其正常的运营状态。该围岩具有一定的膨胀性，而针对此围岩情况采取的初期支护参数相对较小，初期支护比较薄弱。尽管对该段初期支护进行了局部补强，但初期支护加I12工字钢架补强，刚度不够强大，而且受力不均匀，同时取消了二次衬砌混凝土钢筋，减弱了二次衬砌的抗剪切(抗围岩膨胀性)性能。3.2.2偏压引起隧道裂损隧道衬砌作用的围岩压力显著不对称导致衬砌裂损，一般多发生斜坡地形处。洞周围岩，尤其是洞顶及洞底及边墙附近围岩应力松弛和集中现象比较明显，断层和岩石破碎带都容易产生隧道衬砌裂损，从而导致支护结构在相应位置的应力水平大幅度提高，是造成本段二次衬砌及调平层开裂的主要原因。3.2.3膨胀性土压引起隧道裂损膨胀性土压挤压围岩使隧道净空缩小的作用于衬砌和支护结构上的土压。主要由于风化围岩或者粘粒成份主要由强条水性矿物质组成，并且具有显著胀缩性的粘性土体积膨胀引起土压力增大。隧道的开挖改变了隧道周边的地层应力状态，当围岩强度小于埋深压力或强度劣化显著，隧道周边的塑性区会扩大，使得作用在衬砌上的围岩压力增加。另外隧道经过长期使用，会产生一些构造上缺陷，比如衬砌背后的空洞，也会扩大隧道的塑性区，增大膨胀土压，引起衬砌结构的裂损。3.3衬砌开裂危害由于形变压力、松动压力作用、地层沿隧道纵向分布及力学形态的不均匀作用、温度和收缩应力作用、围岩膨胀性和冻胀性压力作用、腐蚀性介质作用、施工中人为因素、运营车辆的循环荷载作用等，使隧道衬砌结构物产生裂缝和变形，影响隧道的正常使用，统称为隧道衬砌裂损病害。衬砌裂损使隧道病害的主要形式，隧道衬砌裂损破坏了隧道结构的稳定性，降低了衬砌结构的安全可靠性，影响隧道的正常使用，甚至危及行车的安全。衬砌裂损变形的主要危害有：（1）降低衬砌结构对围岩的承载能力；（2）使隧道净空变小，侵入建筑限界，影响行车安全通过；（3）拱部衬砌的掉块，影响行车和营运安全；（4）裂缝漏水，造成洞内设施锈蚀，道床翻浆，严寒和寒冷地区产生冻害；（5）铺底和仰拱破损、基床翻浆、线路变形、危及行车安全，被迫降低车辆运行速度，大量增加养护维修工作量；（6）在运营条件下对裂损衬砌进行大修整治，施工与运输相互干扰，费用和损失都大增。4隧道衬砌裂缝的治理在衬砌的裂损调查中，关于裂损的原因、裂损的范围，都要正确地了解。这对选择合适的处置方法是很重要的。对裂损衬砌的整治，需正确地掌握裂损原因及其程度、范围，并考虑措施的效果、施工性等，安全而经济地进行。4.1隧道加固加固方案设计国内隧道地下工程方面的专家及设计施工单位的相关人员多次开会讨论，对小曼萨河隧道加固修补也得出多种方案。4.1.1衬砌裂缝修复在对隧道衬砌加强前，需修复衬砌裂缝，以防止衬砌混凝土内部钢筋的锈蚀及衬砌渗水，从而为后面衬砌补强做好前提工作。对裂缝及破损混凝土进行化学灌浆及加固修补处理，使结构逐步恢复成整体，达到恢复结构刚度的目的。于大于2mm以上的裂缝，先凿出混凝土松动部分，然后采用CGM高强微膨胀无收缩化学灌浆料进行灌缝处理。4.1.2衬砌的补强（1）对于拱脚、中隔墙及错台处，在错台部位的屈服筋混凝土凿开，重新焊接一定长度的钢筋替代屈服筋(搭接长度按规范规定)，将错台部分重新浇筑高于原混凝土强度的纤维混凝土并修形，以便后续粘结钢板之用。（2）对于边墙，中隔墙的处理，首先进行基础灌浆，形成稳定的基础。对边墙、中隔墙局部加强处理，首先灌缝，其次粘钢、植筋将钢板锁住。对于拱顶及边拱采用对拱外圈进行灌浆处理，将周围松散堆积物灌浆后形成拱圈，厚度1.2-3.2m，如图5-9示。如3隧道加固示意图4.2表面清扫、凿除及开裂压注图4裂缝灌注加固施工工艺针对小曼萨河隧道加固流程，简单论述隧道的加固施工工艺流程。4.2.1表面清扫表面清扫作为其他对策的前处理也是必须进行的作业。用钢丝网沿裂缝两侧各5cm的清理混凝土表面的杂物，用丙酮清理干净。清除霉菌时，要作为产业废弃物处理，废弃时要注意。对局部劣化部分加以凿除。是进行嵌缝、喷锚加固和局部改建时，务必使补修材料与既有衬砌确实附着。该项表面清扫工作要特别精心地进行。4.2.2凿除进行凿落时，应根据状况用补修材料修复断面。当修内衬而富余量不够时，衬砌不受地压的情况下，亦可在其范围内加以凿除。由于凿除，衬砌内面形状变为极端凹凸，对衬砌的有效厚度有所妨碍时，要视衬砌的材质、妨碍的范围、厚度等对断面加以修复。4.2.3开裂压注压注前用环氧树脂砂浆对裂缝表面进行封闭的方法进行处理。1.沿开裂5m左右的宽度，用器具把灰尘等除去；将压注管安设在开裂部位的中心；用电钻在两侧交叉进行钻孔，孔距在150-200cm，钻头直径10-14mm，钻孔角度宜≤45°，钻孔深度≤结构厚度的2/3，钻孔必须穿过裂缝，但不得将结构打穿，钻孔与裂缝间距≤1/2结构厚度。3.开裂部位安设板材并进行养生；进行现场钻孔及安放钢筋束工艺操作试验，经比选，采用钻孔设备YJ-70型管棚机。采用潜孔钻机钻进成孔，微型桩直径为127mm，采用135mm钻头，用刻槽机人工沿裂缝刻出宽度约1cm的槽口，用环氧树脂砂浆进行裂缝表面封闭，常温下24小时后方可压住浆液。4.拆除压注机具、压注管等，并整平表面；钻孔钻进到位后，利用高压风清扫钻孔。清空后利用吊锤法再次检验桩身长度。因此桩身砼采用C30细石砼或砂浆，使用砂浆拌合机严格按照配合比拌制。5.低压自动压注方法，一般压注压力约40MPa，一次压注量约40-60。安放Ф25钢筋束时，需缓慢放入钢筋束，防止钢筋束插入孔底或孔壁，并严格控制钢筋束，使其位于微型桩中心位置。吊锤法检测注浆孔深度满足设计要求后，报监理工程师同意进行注浆施工。4.3喷锚加固裂损衬砌4.3.1补强加固所用材料的选择由于本衬砌开裂工程存在大面积的新旧混凝土结合处，采用早期膨胀第Ⅳ类水泥基灌浆料（加粗骨料），在加固工程施工过程中可不使用辅助措施来达到灌注全部空隙的目的，适用于混凝土结构的加固改造等工程。第Ⅳ类水泥基灌浆料高强无收缩水泥基灌浆料流动度达到280mm以上，能在微膨胀的应力下渗入原混凝土中，并在水泥水化过程中相互渗透，可以避免普通灌浆料浇筑初期产生的塑性收缩，保证二次灌浆后无收缩，保证加固效果满足原设计承载力性能。主筋采用Ф25螺纹钢筋，间距20cm，纵向筋采用Ф14钢筋，间距25cm。4.3.2仰拱施工左、右线仰拱基底均进行加固，加固范围为仰拱底面以下5米，采用φ50×5mm无缝钢管，1.0m（环）×1.0m（纵）梅花形布置，注水泥浆。仰拱加厚，衬砌按照变更后方案施工，采用Ⅵ级围岩衬砌类型，喷射混凝土按照设计规范要求施工，特别注意拱架连接垫板尺寸：460mm×270mm，厚度：16mm；喷C25混凝土，厚度35cm。4.3.3基底处理为保证注浆效果，在仰拱初支施工完毕后，利用初支喷砼作为止浆墙，再进行基底注浆加固，采用风动凿岩机按照1.0m（环）×1.0m（纵）梅花形钻孔，利用铅垂法检验桩身长度满足设计要求后安装钢筋束，为保证钢筋束位置居中，采取了在钢筋束顶端焊制定位支架，安装注浆小导管，加固范围为仰拱下5米，采用φ50×5mm无缝钢管，注1:1水泥浆。基底加固流程图如下：图5基底加固流程图防水层基面准备铺设前，应先处理较明显的股状渗水，并对隧道初期支护喷射混凝土表面进行处理，切除锚杆头和钢筋露头，防水板焊缝宽度≥1.0cm，搭接宽度≥15cm。5结束语通过该段衬砌结构的补强施工有如下几点总结:（1）隧道设计应尽可能多钻探并采取多种手段以提高对围岩类别定性的准确性；（2）隧道施工过程中必须加强围岩监控量测，采取先进仪器加强地质预报，特别是对围岩的性质应有全面的了解，根据信息反馈及围岩岩性，支护参数应适当加大；（3）对围岩类别的定性应突破必须有渐变过程，同时消除只要初期支护稳定、二次衬砌不受力而取消钢筋可行等认识上的误区；（4）衬砌的支护时机应在初期支护基本稳定后进行，避免衬砌过早受力，如软弱围岩根据