鐵路隧道襯砌拱部露筋整治工藝研究

曾 勇

(中鐵十八局集團 第三工程有限公司,河北 涿州 400700)

近年來,國家交通行業快速發展,新建隧道的比例大幅提升,而隨著西部大開發持續推進,西部地區隧道的修建速度正不斷加快。因施工工藝或質量欠缺,既有隧道病害形式多樣,常見的病害形式包括隧道襯砌空洞、防水板切割、滲漏水、襯砌裂縫以及襯砌露筋等問題[1],針對空洞以及襯砌裂縫,國內外學者已進行過大量研究,而防水板切割及襯砌露筋等問題目前相關研究成果較少,襯砌露筋會對襯砌結構承載力帶來一定影響,長時間襯砌露筋會導致鋼筋銹蝕,嚴重影響隧道運營安全,目前國內外專家學者對該病害并未過多關注,盡早對襯砌露筋病害展開研究十分重要。

國內針對襯砌露筋問題的處置措施研究較少。劉上春等針對襯砌表面缺損露筋,提出表面防護和缺損修復方案,并進行現場應用,可取得較好的應用效果[2]。趙娟娟根據襯砌露筋病害的產生原因,結合相關工程經驗,提出相應的防治措施[3]。高墅采用硅烷、環氧樹脂等化學漿材處理此類問題,施工工藝為環氧砂漿涂抹加硅烷噴涂,處理效果滿足設計及規范要求[4]。

這些研究鮮有襯砌露筋對支護結構的影響研究。本文依托某鐵路隧道襯砌露筋缺陷整治,對隧道拱部襯砌露筋缺陷的整治技術進行研究,以消除隧道襯砌露筋安全隱患,并為類似病害整治提供借鑒。

1 隧道檢測情況

1.1 強度檢測情況

某鐵路隧道總長度超過5 000 m,絕大部分是溶蝕、剝蝕以及侵蝕低山地形地貌,隧道最大埋深達349 m,該隧道洞身圍巖大多為Ⅲ～Ⅴ級,是剝蝕丘陵地貌,屬單斜構造,節理多呈微張狀至張開狀。根據檢測結果,該隧道DK86+396至DK86+408缺陷段C35混凝土無損檢測和強度檢測平均值為40.4 MPa(設計值35 MPa),隧道DK86+465至DK86+472缺陷段C35混凝土無損檢測和強度檢測平均值為43.7 MPa(設計值35 MPa),隧道DK87+125至DK87+130缺陷段C35混凝土無損檢測和強度檢測平均值為41.7 MPa(設計值35 MPa),隧道DK87+185至DK87+188缺陷段C35混凝土無損檢測和強度檢測平均值為41.1 MPa(設計值35 MPa),隧道DK87+365至DK87+372缺陷段C35混凝土無損檢測和強度檢測平均值為42.1 MPa(設計值35 MPa)。

1.2 掌子面素描情況

根據缺陷段代表性掌子面素描結果,DK86+396、DK86+568處圍巖為泥巖,紫紅色,整體,節理裂隙發育,地下水以滴滲水為主;DK87+137、DK87+286處圍巖節理裂隙較發育,穩定性較差,地下水較發育,含飽和基巖裂隙水;DK87+432、DK87+456處圍巖為泥巖,局部夾砂巖,黃褐色,該段圍巖節理裂隙較發育,穩定性較差,局部段落含水量較大;DK87+578、DK87+642處圍巖為泥巖,局部夾砂巖,節理裂隙發育,穩定性較差,地下水發育。

1.3 變形監測情況

根據監測結果可以看出,DK86+600處缺陷段初支拱頂下沉已經收斂,最終收斂值為7.40 mm,周邊收斂量為7.00 mm、1.80 mm;DK86+620處缺陷段初支拱頂下沉已經收斂,最終收斂值為5.70 mm,周邊收斂量為4.50 mm、0.30 mm;DK87+640處缺陷段初支拱頂下沉已經收斂,最終收斂值為0 mm,周邊收斂量為0 mm;DK87+660處缺陷段初支拱頂下沉已經收斂,最終收斂值為3.00 mm,周邊收斂量為5.00 mm、4.90 mm。綜上可知,拱頂及周邊沉降趨于穩定,圍巖—支護體系穩定。

2 隧道缺陷成因和治理措施

2.1 隧道缺陷成因

DK87+349拱頂漏筋,長1 m,寬0.6 m。面積0.6 m2。缺陷見圖1。

圖1 鋼筋外露

通過研究分析,鋼筋外露的主要原因是質量控制沒有注意細節,導致二次襯砌混凝土澆筑時,混凝土外溢至局部未焊接牢固或存在裂縫的防水板外面,在混凝土自重以及振搗作用下,二襯鋼筋被壓至襯砌臺車鋼模位置,造成鋼筋出現外露現象。

2.2 治理措施

針對隧道二次襯砌存在混凝土露筋質量缺陷,根據施工單位提供的資料,現場采用以下措施進行整治:鑿除修補混凝土(深度7 cm),打磨順圓,高壓水槍沖洗干凈;對露出鋼筋涂刷2道E-44型環氧樹脂進行防腐處理;混凝土鑿除表面涂刷3道水泥基滲透結晶型防水材料(水灰比W/C=0.3：1)。

3 數值計算

3.1 計算模型及工況

根據現行《鐵路隧道設計規范》圍巖級別的劃分,考慮隧道埋深,按地層—結構模型進行結構計算,根據襯砌設計參數相關資料,結合《鐵路隧道設計規范》,對本隧道缺陷段進行檢算。根據地層—結構模型理論,為了消除邊界效應,計算模型左右邊界取5倍隧道洞徑,下邊界取5倍隧道高度,數值模型尺寸為90 m(長)×90 m(高)×10 m(寬),如圖2所示。圍巖級別為Ⅴ級,采用摩爾庫倫本構模型,初期支護及二襯采用彈性模型,等效鋼筋層采用摩爾庫倫本構模型。下邊界施加豎向約束,左右邊界施加水平約束,上邊界為自由邊界,采用FLAC3D進行計算。計算工況如表1所示。

表1 二襯混凝土露筋缺陷計算工況

(a)隧道地層—結構三維圖

工況1缺陷里程為DK87+349,檢算為Ⅴ級圍巖,Ⅴc型復合襯砌,襯砌強度等級為C35,Ⅴc型復合襯砌埋深為43 m。

3.2 計算原理

為了更好模擬鋼筋混凝土,解決鋼筋混凝土結構在強度折減法中的應用問題,結合參考文獻[5]和[6],根據摩爾庫倫屈服準則要求,得出鋼筋混凝土襯砌結構等效抗剪強度指標(主要為黏聚力c和內摩擦角φ),以及等效抗拉強度σt等系列公式。

鋼筋混凝土等效材料的抗剪強度指標c、φ分別為:

(1)

(2)

式中,Gs為鋼筋的剪切模量,Gc為混凝土的剪切模量,vs為鋼筋混凝土配筋率,cc、φc分別為混凝土的抗剪強度指標。

鋼筋混凝土等效材料的抗拉強度為:

(3)

式中,Es為鋼筋的彈性模量,Ec為混凝土的彈性模量,σtc為混凝土的抗拉強度。

按照襯砌結構特性和其受力主要特征,可以判斷環向鋼筋是核心受力筋,從而在計算中不考慮縱向鋼筋在承載中相關影響。

3.3 計算參數

為了更加符合檢算段的實際受力狀態,本次計算的材料參數根據《鐵路隧道設計規范》,以及地質勘探得到的參數建議進行綜合取值。二次襯砌強度和厚度按設計參數確定。結合等效鋼筋混凝土層計算轉換公式,可求出等效鋼筋混凝土層的抗剪強度指標(c,φ)和抗拉強度(σt)。等效鋼筋混凝土層、圍巖及支護結構計算參數如表2所示。

表2 等效鋼筋混凝土層、圍巖及支護結構計算參數表

3.4 控制標準

關于襯砌變形控制標準可參考相關監控量測規范,《鐵路隧道監控量測技術規程》具體控制標準值如表3所示。

表3 襯砌位移控制標準值

根據設計資料可知,拱部、邊墻、仰拱均采用C35鋼筋混凝土;根據《鐵路隧道設計規范》,混凝土和鋼筋混凝土結構中混凝土的極限強度應按表4采用。

表4 混凝土極限強度設計值 單位:MPa

針對兩種控制標準,由于拆換前后對襯砌結構的位移影響較小,因此我們主要對拆換前后襯砌結構的受力進行分析,采用強度控制標準作為評判準則。結合混凝土極限強度設計值以及規范相關規定,采用最大拉應力2.4 MPa和極限抗壓強度26 MPa作為襯砌拆換前后結構安全的控制界限。

3.5 計算結果分析

對整治前后的襯砌最大與最小主應力云圖進行切片,如圖3和圖4所示。

(a)整治前

(a)整治前

由圖3和圖4可知,當襯砌結構經過整治后(不露筋狀態下),襯砌結構的最大主應力與最小主應力均明顯增大,整治后襯砌結構的主應力會有所減小,襯砌結構在整治前最大主應力為0.128 MPa,在整治后最大主應力為0.074 MPa,均小于抗拉設計強度。整治前后襯砌結構的最小主應力分別為0.660 MPa、0.395 MPa,均小于抗壓設計強度。說明整治前后結構均是安全的。襯砌露筋并不會降低襯砌結構的承載能力,處理該缺陷最重要的是為了防止外露鋼筋遭到侵蝕,進一步影響到襯砌結構的承載能力,同時外露鋼筋周圍的襯砌混凝土容易脫落,導致隧道產生新的病害,影響運營安全。

對整治前后襯砌結構豎向位移進行計算,如圖5所示。

(a)整治前

對整治前后的襯砌全環位移云圖進行分析,發現二襯結構位移最大位置在仰拱底部中央(顏色最深處),最大變化差值:(3.280-3.225)×10-4=0.055×10-4(m),幾乎為0,表明襯砌露筋對結構位移影響較小,在圍巖—初支穩定情況下,襯砌鋼筋外露時結構仍可以保持其整體穩定性,考慮襯砌露筋易產生銹蝕、腐蝕,對結構的強度及變形性能造成影響,為保障結構的耐久性,采用環氧砂漿封閉鋼筋,并涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料防止襯砌混凝土劣化。

3.6 整治效果

缺陷處混凝土經鑿除打磨圓順后,對外露鋼筋涂刷環氧樹脂進行防腐處理,并對混凝土表面處理干凈以后,仔細涂刷水泥基滲透結晶型防水建材,實踐證明存在缺陷的混凝土露筋情況被治理后效果非常好,且混凝土外觀品質較好,結構防水及防腐處理能滿足設計要求。

4 結論與建議

(1)基于數值模擬對整治前后襯砌主應力和位移進行分析,發現整治后襯砌主應力有所減小,但襯砌位移變化量較小,表明采用該整治措施能有效提高襯砌結構承載能力,對于鋼筋混凝土襯砌,整治前后襯砌豎向位移控制效果并不顯著。

(2)經整治效果驗證,涂刷2道E-44型環氧樹脂進行防腐處理,可防止襯砌外露鋼筋銹蝕,能有效改善襯砌結構的承載能力,該整治方案簡單易行,能夠對襯砌露筋造成的安全隱患及時消除,確保鐵路隧道運營安全。

(3)由于鐵路隧道存在一定的復雜性和不確定性,建議隧道運營期對缺陷鑿除后的整治部位進行必要的觀察或監測,以確保隧道運營過程結構安全。