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摘要:隧道工程衬砌结构病害对其正常运营会造成极大的不便,甚至有可能引发相关安全事故。该文结合实践,在阐述其衬砌混凝土结构受力特性以及新型补强加固材料主要性能的基础上,提出了衬砌结构补强加固实施方案的具体合理工程技术措施;最后采用的“灌注裂缝胶+贴碳纤维布+新型网格状钢带补强”加固方法不仅施工工艺较为简单,而且对隧道原有衬砌结构的扰动性较小,具有良好的工程实际应用意义和推广价值。
关键词:隧道工程;衬砌结构;补强加固
1新型钢带材料性能特点
网格状钢带是一种新型的隧道结构补强加固材料,该产品可与锚固体系共同作用形成网格支架,并通过新型钢带把分散的多根锚件连接起来,形成一个整体承载结构,显著地提高其整体承载效果。同W钢带相比,新型网格状钢带是平的钢带,而W钢带外形呈U形;且W钢带安装要刻槽、破坏二衬,而新型钢带外形平整,对隧道衬砌结构的扰动破坏性也较小;W形钢带最大厚度一般为3mm,而新型网格状钢带最大厚度可达5mm。同其他一般的钢带相比,新型钢带抗弯截面模量提高37倍,刚度提高70倍左右,抗拉强度提高12%~15%,其钢带特性为:材质Q235A;标准GB/T700-2006;弹性模量210GPa、泊松比0.3、重度76.93N/m3,不同型号的该类钢带主要物理力学技术性能参数见表1。
2工程概况
某高速公路特长隧道的隧址区断裂构造不发育,基岩主要为第三系泥岩、砂质泥岩,遇水易软化,围岩稳定性差,全隧道以Ⅴ级围岩为主。该隧址区山体表部沟谷泉水较多,仅在每年雨季较丰盈,其余季节泉水流量较小或枯竭。地下水主要为亚黏土及底部基岩风化壳潜水、碎屑岩类裂隙层间水。降雨主要通过地表水排泄,向地下入渗量较小,总体上看地下水不发育。该隧道全长3010m,正常洞段的净宽为10.25m、限高5.0m,净空面积63.85m2,仰拱面积14.09m2;隧道路面横坡为2%,两侧设检修道。该隧道施工图衬砌结构设计根据围岩条件、施工条件,分为明洞衬砌、浅埋段复合式衬砌和深埋段复合式衬砌,洞身Ⅴ级围岩段采用厚度35cm的C25混凝土衬砌结构设计,构成了该隧道的主要永久性承载结构。
3隧道衬砌结构安全性有限元分析
3.1计算模型
结合Ansys11.0软件,对该公路隧道工程Ⅴ级围岩整治洞段的二衬结构安全性进行验算和分析研究。有限元计算分析模型按照线弹性平面应变问题考虑,岩体的初始应力场仅考虑其自重应力,采用荷载结构法,相关计算分析模型如图1所示。
根据以上总体原则,建立了不同二衬混凝土厚度下的隧道相应结构有限元数值模拟分析模型,采用Ansys11.0有限元软件计算,得到不同二衬混凝土厚度下按规范公式计算所得的结构安全系数,见图2
从计算结果可看出:①隧道拱顶部位在二衬混凝土厚度小于25cm时,安全系数小于规范值2.4,不满足相应规范要求,易出现裂缝等病害,其余部位满足规范要求;②对于二次衬砌混凝土厚度小于25cm的SVb衬砌洞段应予以补强加固处理,以确保其结构的安全性。此外,该隧道二次衬砌结构已经出现明显开裂的洞段,也必须予以特别补强加固整治。
4隧道衬砌结构补强的主要技术措施
4.1衬砌结构加固整治方案对比
根据该实例隧道施工质量缺陷现状,结合其病害的可能发展趋势及潜在隐患之综合分析,其施工质量缺陷与病害处治以增强隧道衬砌厚度不足段和局部洞段二次衬砌混凝土出现裂缝段的结构安全性为主要目的,以保持该隧道结构的承载力。考虑采用3种方案进行处治比选:①套拱加固方案;②型钢加固方案;③灌注裂缝胶+贴碳纤维布+新型网格状钢带补强。经过综合对比分析,推荐采用“灌注裂缝胶+贴碳纤维布+新型网格状钢带补强”的整治加固方案,其主要内容为:首先对隧道二衬裂缝段采取灌注裂缝胶的形式修补完善,然后再贴碳纤维布,最后对上述处理后的二衬表面安置环向、纵向交叠新型网格状钢带,并用粘钢胶和膨胀螺栓固定钢带。这种整治加固方案的优点是:施工工艺简单,施工工期短,隧道原有衬砌结构破坏较少,处治费用最低。
4.2二衬裂缝处治
在裂缝部位,通过裂缝充填修补可以封闭裂缝,防止混凝土保护层的碳化有害离子对钢筋混凝土的腐蚀,延长结构使用年限,同时改善结构外观。故采用碳纤维布粘贴裂缝及裂缝灌注填缝胶为裂缝处理方案。碳纤维布粘贴裂缝和裂缝灌注裂缝胶方法的施工工序为:首先清理喷涂层和二衬表面,然后沿裂缝灌注裂缝胶、涂刷黏结胶和粘贴碳纤维布,最后处理碳纤维布与胶体表面粗糙、进行腻子层施工和涂料施工。
4.3二次衬砌厚度不足段的专项整治措施
在该隧道二次衬砌厚度不足段使用新型钢带加固处治方案,二次衬砌处治段出现裂缝的情况应先采用裂缝灌注填缝胶+碳纤维布粘贴裂缝表部的方案对裂缝进行预处理后,外部再进行系统的网格状新型钢带补强加固。
对于出现裂缝渗水的部位还应加强和酌情增设排水管道,整治后应进行常规检查,以防发生意外。其设计的各整治类型适用情况及支护参数见表3、4。经计算分析,该隧道项目其补强加固后结构安全性问题,满足规范的基本要求。整治过程中所用黏钢胶为AB双组分改性环氧树脂胶黏剂(表5)。
钢带安装施工工序如下:(1)黏结面处理:钢带安装前清理二衬表面和钢带表面,提高胶体与之黏结力,防止脱落。混凝土表面用角磨机打磨直至露出新面,并将灰尘清除干净;钢板用角磨机打磨粗化。
(2)调胶:将A、B组分分别搅拌均匀,然后再把A、B两组分按重量比2∶1倒入容器,用电动搅拌器或其他棒材进行匀速搅拌,直到呈色一致为止,一般一次调胶以6~10kg为宜。
(3)钢带先用黏钢胶与混凝土洞身黏结,环向钢带与环向钢带凹凸搭接20cm,使用黏钢胶黏结,并用膨胀螺栓固定,膨胀螺栓位置应避开裂缝开裂位置,防止脱落;环向钢带与纵向钢带凹凸搭接20cm。使用黏钢胶黏结,并用膨胀螺栓固定,膨胀螺栓位置应避开裂缝开裂位置,防止脱落,保障行人和车辆安全。新型网格状钢带安装过程中加固所需膨胀螺栓,其施工工艺流程如下:
(1)钻孔。隧道内人行道沿边墙向上10cm,使用?22mm电钻打孔,其深度17cm,环向间距75cm,GTL、GWLa、GWLb3种整治类型对应的膨胀螺栓纵向间距分别为0.3、0.5、0.4m。(2)注胶。安装不锈钢材质的螺栓。螺栓插入孔内长度不得短于设计长度的95%,并用扳手迅速拧紧螺母使套管炸开、套牢,取下螺母、垫片,然后向孔内注入黏钢剂(钢-混凝土型),注满后重新安装好垫片和螺母,并迅速拧紧、贴实。(3)螺栓拉拔力大于1500kN后,在螺母周围涂抹一层黏钢剂固定螺母,防止隧道运营过程中腐蚀、脱落,确保行人和车辆安全。隧道运营过程中应进行定期或不定期的检查。(4)膨胀螺栓技术性能:304不锈钢膨胀螺栓;型号M16×200;抗拉强度≥1250kg;抗剪强度≥650kg。
5结语
(1)采用新型网格状钢带技术可以有效地控制该隧道衬砌混凝土的变形开裂,提高衬砌的抗拉变形能力和承载力,显著提高实例隧道结构体系的安全性。(2)推荐采用的“灌注裂缝胶+贴碳纤维布+新型网格状钢带”补强加固整治方案,材料用量少、施工工艺简单,工人劳动强度小,能有效地缩短施工工期,减少该类整治工程的投资成本。(3)“灌注裂缝胶+贴碳纤维布+新型网格状钢带补强”的隧道衬砌结构补强加固技术可为今后类似隧道工程二次衬砌结构的补强加固提供参考。
参考文献:
[1]李顺波.W型钢带在长大隧道缓倾岩层初期支护中的应用[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2013(4).
[2]张沱.W钢带补强隧道衬砌缺陷施工技术[J].铁道建筑技术,2014(7)
论文作者:王,瀛
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/6
标签：隧道论文; 裂缝论文; 钢带论文; 结构论文; 螺栓论文; 网格论文; 碳纤维论文; 《防护工程》2017年第28期论文;