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隧道襯砌粘貼W鋼帶加固方案設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要點(diǎn)趙銘偉【摘要】為了保證高速公路隧道的結(jié)構(gòu)安全,延長隧道的使用壽命,結(jié)合工程實(shí)例,擬采用W鋼帶進(jìn)行隧道加固襯砌處理,主要從隧道病害原因分析、加固方案設(shè)計(jì)、施工工藝和施工質(zhì)量控制等方面進(jìn)行研究分析,以期為隧道襯砌加固相關(guān)問題起到一定借鑒作用和參考價(jià)值.期刊名稱】《山西交通科技》年(卷),期】2017(000)003【總頁數(shù)】4頁(P97-100)【關(guān)鍵詞】隧道襯砌;方案設(shè)計(jì);施工技術(shù);要點(diǎn)【作者】趙銘偉【作者單位】山西省交通科學(xué)研究院,山西太原030006【正文語種】中文【中圖分類】U457.3隧道工程作為地下隱蔽的工程,具有很多方面的難度,如危險(xiǎn)因素多、施工條件限制、地質(zhì)復(fù)雜多變、施工環(huán)境差和不可預(yù)見性強(qiáng)等,故隧道工程的安全性和技術(shù)難度都較大。常見的隧道病害有洞口病害、隧道排水系統(tǒng)不暢、襯砌裂縫和滲水以及隧道路面病害等[1-3]。隧道施工過程中,襯砌階段顯得尤為重要,隧道常見的事故發(fā)生原因調(diào)查中很大程度上都是由于襯砌設(shè)計(jì)不合理或者施工不規(guī)范造成的,施工不當(dāng)對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,更容易造成坍塌等嚴(yán)重后果[4]。工程概況洛欒高速全長129.226km,于2012年年底通車,設(shè)計(jì)速度為80km/h,在K83+480標(biāo)段處存在一隧道,該隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),且按照新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。據(jù)原始數(shù)據(jù)顯示,該隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)為初期支護(hù),二次支護(hù)措施采用模筑混凝土,二次襯砌采用C30素混凝土及C35(C30)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)合2015年隧道定期檢測(cè)和踏勘結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隧道存在數(shù)量較多的常規(guī)病害。具體來講,該隧道存在很多環(huán)向、縱向、斜向裂縫。其中左洞共有裂縫80條,裂縫在距進(jìn)口100~200m、400~500m、700~800m段發(fā)育較集中,裂縫總長為428.8m。其中環(huán)向裂縫50條,裂縫總長為258.1m,單條裂縫最長為21m,裂縫最寬為10mm;縱向裂縫23條,裂縫總長為137.2m,單條裂縫最長為12m,裂縫最寬的地方長度為10mm;而斜向裂縫一共有7條,其裂縫總長達(dá)到33.5m,單條裂縫最長為8m,裂縫最寬為1.2mm。而在右洞共有裂縫121條,距進(jìn)口0~300m和400~700m段裂縫的發(fā)育較為集中,裂縫總長為718.2m。其中環(huán)向裂縫66條,裂縫總長為384.3m,單條裂縫最長為21m,裂縫最寬為2mm;縱向裂縫25條,裂縫總長為208.5m,單條裂縫最長為21m,裂縫最寬為2mm;斜向裂縫總長為125.4m,共有30條,其中裂縫最寬的地方高達(dá)1.6mm,最長的單條裂縫長為12m。綜上檢查結(jié)果,這些病害暫時(shí)不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全有很嚴(yán)重的影響,但是一定程度上會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。為了保證高速公路橋梁與隧道安全運(yùn)營,保證高速公路隧道的可靠性和耐久性,同時(shí)延長隧道的使用壽命,相關(guān)部門擬采用適合的加固襯砌方案進(jìn)行處理,主要從隧道病害原因分析、加固方案設(shè)計(jì)、施工工藝和施工質(zhì)量控制等方面進(jìn)行研究分析,以期對(duì)隧道襯砌加固相關(guān)問題起到一定借鑒作用和參考價(jià)值。隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害原因分析從病害調(diào)查結(jié)果可以看出,隧道襯砌的裂縫較為嚴(yán)重,要相對(duì)其進(jìn)行有效的加固處理并選擇合理的加固方案,需要對(duì)其病害產(chǎn)生原因進(jìn)行針對(duì)性分析,以期得到最佳的處理方案。據(jù)調(diào)查結(jié)果和原因分析,病害引起的主要是襯砌裂縫病害[5],相應(yīng)產(chǎn)生的原因分析如下:a) 局部段落襯砌厚度可能不足,或襯砌強(qiáng)度不足,承載能力下降,導(dǎo)致拱部縱向開裂。b) 襯砌厚度不均勻,且局部段落存在明顯的脫空、空洞、不密實(shí)等缺陷,導(dǎo)致襯砌受力不均,產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂。c) 邊墻或隧底施工不規(guī)范,導(dǎo)致拱腳位置基礎(chǔ)穩(wěn)定性差,邊墻應(yīng)力集中產(chǎn)生縱向、斜向裂縫。d) 在施工過程中,其質(zhì)量控制不夠精確和嚴(yán)格,尤其是混凝土的養(yǎng)護(hù)問題,常常養(yǎng)護(hù)不到位會(huì)產(chǎn)生環(huán)向裂縫。e) 隧道防排水設(shè)施不完善,排水能力弱,導(dǎo)致襯砌背后積水,襯砌結(jié)構(gòu)承受較高水壓。同時(shí)襯砌會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,襯砌防水板存在不完整或搭接不良等缺陷;襯砌背后可能存在不密實(shí)區(qū)及空洞,易形成地下水匯集區(qū)。加固方案設(shè)計(jì)在采用加固方案設(shè)計(jì)的時(shí)候,對(duì)于襯砌加固采用的方案要具有較強(qiáng)可操作性,且與施工條件、施工材料及工藝密切聯(lián)系,襯砌加固補(bǔ)強(qiáng)要能夠盡可能地保持原來結(jié)構(gòu)的完整性。綜合該工程病害調(diào)查結(jié)果和原因分析以及相關(guān)規(guī)范要求,綜合業(yè)主單位施工單位、設(shè)計(jì)單位相關(guān)專家和負(fù)責(zé)人的意見,最終決定采用粘貼鋼板(帶)的方法對(duì)隧道襯砌進(jìn)行加固。W鋼帶處治設(shè)計(jì)襯砌的混凝土等級(jí)為C30,二次襯砌的厚度為25cm。結(jié)合采用的處治設(shè)計(jì)要求、施工具體情況以及規(guī)范《礦用W型鋼帶》(MT/T861—2000)[6],最終確定鋼帶的厚度為5mm,寬度為25cm,單片鋼帶有效截面積A=1500mm2,截面高度為25.5mm,每環(huán)縱向間距100cm。在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑,使襯砌與鋼帶黏結(jié)為一體,再采用錨栓進(jìn)行固定鋼帶。錨栓采用M16化學(xué)錨固螺栓,植入深度不小于16cm。黏鋼膠抗沖擊剝離長度小于20mm,快速濕熱老化時(shí)間為10d,檢驗(yàn)經(jīng)快速濕熱老化后的試件在常溫條件下鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度降低百分率不得大于8%。黏鋼膠應(yīng)具備有資質(zhì)機(jī)構(gòu)認(rèn)證的凍融循環(huán)報(bào)告,環(huán)保無毒報(bào)告。圖1為W鋼帶加固設(shè)計(jì)立面圖,其中A處的放大圖見圖2所示。表1為粘貼鋼帶(板)用膠黏劑基本性能指標(biāo);表2為錨固用膠黏劑主要性能指標(biāo)。圖1W鋼帶加固立面圖(比例:1:100)圖2A部大樣圖(比例:1:10)表1粘貼鋼帶(板)用膠黏劑基本性能指標(biāo)性能項(xiàng)目性能要求膠體性能抗拉強(qiáng)度/MPa大于等于30抗拉彈性模量/MPa大于等于3000抗彎強(qiáng)度/MPa大于等于45,且不得呈脆性破壞抗壓強(qiáng)度/MPa大于等于65伸長率/%大于等于1.2黏結(jié)能力鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/MPa大于等于15鋼-鋼不均勻扯離強(qiáng)度/MPa大于等于16鋼-鋼黏結(jié)抗拉強(qiáng)度/MPa大于等于33與混凝土的正拉黏結(jié)強(qiáng)度/MPa大于等于2.5,且混凝土為內(nèi)聚破壞不揮發(fā)物含量(固體含量)/%大于等于99表2錨固用膠黏劑主要性能指標(biāo)膠體性能MPa黏結(jié)能力MPa性能項(xiàng)目性能要求劈裂抗拉強(qiáng)度大于等于8.5抗壓強(qiáng)度大于等于60抗彎強(qiáng)度大于等于50鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于等于15與混凝土的正拉黏結(jié)強(qiáng)度大于等于2.5,且混凝土為內(nèi)聚破壞處治后襯砌表面涂裝設(shè)計(jì)為改善修復(fù)后隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面外觀,并消除因襯砌病害處治給人們?cè)斐傻男睦韷毫?,在?duì)隧道襯砌病害進(jìn)行處治后,應(yīng)及時(shí)對(duì)處治位置襯砌表面進(jìn)行美化。同時(shí)考慮到對(duì)處治效果的加固、封閉和補(bǔ)強(qiáng)作用,應(yīng)采用聚合物改性水泥砂漿進(jìn)行表面涂裝,使用前應(yīng)先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[7],要求涂裝后襯砌病害處治位置表面與周圍襯砌表面不出現(xiàn)明顯色差,涂裝范圍如下:a)對(duì)襯砌裂縫,涂裝寬度取裂縫兩側(cè)各10cm,長度與裂縫同長。b)對(duì)襯砌滲漏水,涂裝范圍比病害處治范圍每邊擴(kuò)大15cm。c)對(duì)襯砌W鋼帶加固,涂裝范圍為襯砌全斷面,縱向涂裝長度與加固長度一致。d)對(duì)襯砌鋼板加固,環(huán)向涂裝范圍取3.5m。聚合物改性水泥砂漿(如改性環(huán)氧類等)在應(yīng)用前應(yīng)確認(rèn)有成功的類似工程使用經(jīng)驗(yàn),并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),選擇滿足施工要求的水泥砂漿。不得使用耐水性差的水溶性聚合物。除此之外,氯偏乳液和苯丙乳液等不能應(yīng)用,前者會(huì)加速鋼筋的銹蝕,而后者會(huì)嚴(yán)重影響耐久性,同時(shí)這些液體也對(duì)人體有危害。4粘貼W鋼帶施工工藝粘貼W鋼帶是加固效果影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要包括基面的處理、W鋼帶制作以及粘貼W鋼帶3個(gè)方面?;嫣幚韆)在粘貼鋼帶位置進(jìn)行基面處理,基面應(yīng)保證平整圓順,平整度不大于1.5mm/m。清除襯砌表面范圍應(yīng)滿足鋼帶固定范圍。b)將混凝土表面清理干凈并保持干燥。c)鉆制錨栓預(yù)留孔。W鋼帶制作a) 在鋼帶黏結(jié)面需要進(jìn)行打磨,為了保持鋼帶黏結(jié)面具有一定的粗糙度,采用除銹機(jī)或噴砂沿著與鋼帶受力垂直的方向進(jìn)行打磨,直到表面露出金屬的光澤為止;用脫脂棉沾丙酮將鋼帶表面擦拭干凈。b) 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)植埋的錨栓位置、間距,對(duì)固定的鋼帶進(jìn)行配套打孔。c)鋼帶外露面涂刷防腐底漆3道。4.3粘貼W鋼帶4.3.1粘貼W鋼帶工藝流程鉆孔植埋全螺紋錨栓-配制結(jié)構(gòu)膠-襯砌表面及鋼帶涂刷膠黏劑-安裝W鋼帶-封■邊f(xié)鋼帶表面防腐處理。粘貼鋼帶的施工要點(diǎn)a)鉆孔植埋錨栓。依照設(shè)計(jì)圖紙的要求,放出需鉆孔的位置。應(yīng)采用與錨栓直徑配套的鉆頭進(jìn)行鉆孔。(c)在鉆孔過程中要保持干燥,同時(shí)應(yīng)該清理得非常干凈,不能出現(xiàn)油污。(d)植錨栓的施工按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367—2013)[8]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。b)配制結(jié)構(gòu)膠按照供應(yīng)商提供的產(chǎn)品說明書要求配制結(jié)構(gòu)膠,在制備時(shí)攪拌要均勻,采用低速的攪拌器即可,同時(shí)在適用期內(nèi)將結(jié)構(gòu)膠使用完。按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367—2013)[8]的要求,采用的膠黏劑應(yīng)該在耐久性和力學(xué)指標(biāo)方面滿足規(guī)定的要求。c)涂刷膠黏劑涂刷膠黏劑前應(yīng)對(duì)襯砌表面進(jìn)行基面處理,保證粘貼面堅(jiān)實(shí)干燥,對(duì)表面缺損處及不平整處采用改性環(huán)氧砂漿進(jìn)行找平處理?;嫣幚硗瓿珊螅谝r砌表面及鋼帶均勻地涂刷膠黏劑,膠黏劑的膠層應(yīng)有足夠的厚度。d)安裝鋼帶將鋼帶固定在錨栓上,通過錨栓將鋼板刷膠面密貼在已涂刷膠黏劑的基面上,鋼板與襯砌應(yīng)密貼,應(yīng)避免局部脫空。鋼帶分段處采用平口焊接連接,再用長60cm的W接頭鋼帶進(jìn)行搭接,接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用錨栓固定,并用黏鋼膠黏結(jié)。e)鋼帶表面防腐處理在清除存在于鋼帶表面的污垢之前,需要檢查鋼帶粘貼固化密實(shí)效果,確認(rèn)其可靠后進(jìn)行下一步。對(duì)安裝過程中造成的底漆破損進(jìn)行補(bǔ)漆,再在鋼帶外露面涂刷面漆4道。f)處治進(jìn)行鋼帶分段時(shí),鋼帶連接采用平口焊接,再用長60cm的W接頭鋼帶進(jìn)行搭接,接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用錨栓固定,并用黏鋼膠黏結(jié)。5施工質(zhì)量控制要點(diǎn)5.1質(zhì)量控制鋼帶(板)外觀平整、圓順,膠體應(yīng)固化,錨固應(yīng)牢靠。鋼板尺寸、厚度、防腐處理,錨栓間距應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,膠層應(yīng)均勻,無局部過厚、過薄現(xiàn)象。除此之外,粘貼鋼帶(板)加固施工質(zhì)量控制應(yīng)符合表3所示的要求[9]。表3粘貼鋼帶(板)加固施工質(zhì)量控制控制項(xiàng)目規(guī)定值或允許偏差控制措施鋼帶(板)mm鉆孔直徑+2,0尺量錨固深度+20,0尺量鋼板有效粘貼面積/%95敲擊法檢測(cè)與C30混凝土的正拉平面尺寸±3尺量厚度+0.5,0尺量粘貼位置±5尺量錨栓mm黏結(jié)強(qiáng)度/MPa大于等于1.9(混凝土內(nèi)聚破壞)黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)鋼板防腐涂裝厚度符合設(shè)計(jì)要求漆膜測(cè)厚儀檢查:每塊鋼板檢查兩處注意事項(xiàng)在整個(gè)治理期間及實(shí)施完成后,均應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)結(jié)構(gòu)狀況觀測(cè)工作,通過觀測(cè)裂縫、滲漏水、襯砌剝落等特征變化,及時(shí)反饋信息以修正設(shè)計(jì)和采取應(yīng)急措施,保證結(jié)構(gòu)安全。需要著重關(guān)注以下幾點(diǎn)施工注意事項(xiàng):a)由于襯砌裂縫的產(chǎn)生與排水也有很大的關(guān)系,故在所有施工過程之前,需要對(duì)隧道端洞頂破損或下陷的病害進(jìn)行處理,解決由于洞頂排水溝的“中間低、兩頭高而產(chǎn)生的排水不暢問題。必要的情況下,需要對(duì)端口頂端排水溝進(jìn)行全部拆除和重新建造以達(dá)到有效排水的目的,具體注意以下幾點(diǎn)。(a)拆除現(xiàn)有洞頂排水溝,開挖回填層,并按1:0.5進(jìn)行放坡,滿足新建洞頂排水溝設(shè)置要求。(b)對(duì)排水溝基底進(jìn)行人工夯實(shí),且表層壓實(shí)度不小于92%。(c)在原位緊挨洞門墻處新建M7.5漿砌片石排水溝。(d)用黏土分層回填排水溝與開挖輪廓線之間的空隙,要求每層回填厚度不大于25cm、壓實(shí)度不低于92%,施工后應(yīng)保證洞頂回填縱坡為1:10,確保坡面水能順暢流入洞頂排水溝。b)為了提高黏結(jié)膠黏合固化效果,針對(duì)隧道內(nèi)二次襯砌露筋病害進(jìn)行處治時(shí),先進(jìn)行基面處理后用聚合物水泥砂漿封閉襯砌露筋處及其周邊5CM范圍襯砌。C)膠黏劑儲(chǔ)存與使用過程中應(yīng)按材料使用說明,做好防火措施,禁止使用明火或攜帶火種接近。為了提高黏結(jié)效果,應(yīng)及時(shí)將黏鋼混凝土表面清理干凈,并在鋼帶抹膠表面進(jìn)行無污染和無粉塵的清理,露出混凝土表面。鋼帶(板)是根據(jù)隧道內(nèi)輪廓標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì),實(shí)際斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面有差異時(shí),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。施工過程應(yīng)精細(xì)施工,加強(qiáng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的觀察,如有異常及時(shí)查明原因才可繼續(xù)施工,避免對(duì)襯砌造成損傷。值得注意的是,在采用植筋方式時(shí),不能夠?qū)⒛z黏劑直接涂抹在鋼筋上。6結(jié)論為了保證高速公路橋梁與隧道安全運(yùn)營,保證高速公路隧道的可靠性和耐久性,延長隧道的使用壽命,相關(guān)部門擬采用適合的加固襯砌方案進(jìn)行處理,主要從隧道病害原因分析、加固方案設(shè)計(jì)、施工工藝和施工質(zhì)量控制等方面進(jìn)行研究分析,以期為隧道襯砌加固相關(guān)問題起到一定借鑒作用和參考價(jià)值。相關(guān)文獻(xiàn)】石建勛?連拱隧道滲漏水病害機(jī)理與防治技術(shù)研究[D]?重慶:重慶大學(xué),2012.劉會(huì)迎?公路隧道病害成因機(jī)理及防治措施研究[D]?成都:西南交通大學(xué),2007.盧穎明,陳禮偉?既有隧道病害現(xiàn)象分類及原因分析[J].鐵道建筑,2010(11):46-49.楊金泉?山西公路隧道修筑的關(guān)鍵技術(shù)和面臨的難題[J]?山西交通科技,2003(5):37-41.⑸楊書江?隧道襯砌混凝土裂縫
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