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浅析隧道衬砌背后空洞泡沫混凝土回填处治

发布时间:2020/6/5 17:01:55

1 引言

随着我国公路建设规模的日益扩大,公路隧道建设取得了很大的发展,隧道病害问题也日益突出,目前我国隧道已经进入了“高维修”管理期。隧道衬砌背后的空洞是比较严重的病害之一,衬砌背后的空洞会改变二衬和围岩的受力状态,使得结构受力不均匀,降低支护结构的承载能力,同时空洞也是水的渗流通道,引起渗漏、钢筋腐蚀等病害。研究人员对初期支护及二衬背后空洞形成的原因进行分析认为施工工艺不精及施工控制措施不当是衬砌背后产生空洞的主要原因。彭跃等采用数值模拟的方法研究了隧道衬砌背后不同部位及不同范围的空洞对在役隧道结构安全性的影响,并得出结论:隧道衬砌背后出现空洞时对相应部位的结构安全系数会产生影响,且当衬砌背后空洞深度较小时(小于0.5m)对其影响不大,随着空洞直径的增加,对结构安全性的影响也会增大。本文结合某高速公路隧道衬砌背后空洞治理的工程实际,对衬砌背后空洞形成原因进行分析,在此基础上研究空洞的处理方案。

2 工程概况

本隧道为设计时速100km·h-1的双向四车道的高速公路隧道,左右线长度分别为1101m 和1130m,最大埋深190m。隧道始建于1993年11月,1996年6月竣工通车。隧道穿越的地层主要为粉砂质泥岩、泥质砂岩、灰岩、泥灰岩及页岩等,不良地质为膨胀土、断层破碎带和岩溶。隧道围岩条件一般,以Ⅴ、Ⅳ级为主,衬砌支护参数见表1。

  2006年至2007年隧道进行过一次大规模整修,但并未对隧道衬砌背后的空洞进行处理。2017年5月依托老路的改扩建工程,对隧道病害作进一步处治。

3 隧道检测范围

隧道衬砌背后空洞检测范围主要是拱腰至拱顶,采用地质雷达检测抽查方式进行,沿隧道走向布设5条纵向检测剖面,隧道拱顶中轴线布设1条,两侧拱肩及拱腰各1条,见图1。施工单位为进一步验证空洞拱顶深度,在拱顶沿纵向每隔10m钻个孔。

根据钻孔和雷达探测的结果,衬砌背后的空洞范围主要为拱肩至拱顶,且基本贯通,空洞深度主要集中在40~80cm,局部空洞深度达到1.1~2.3m。

4 隧道安全性评价

公路隧道养护规范(JTGH12—2015)条文说明4.5.3:关于突发性坍塌,根据国外资料显示,当拱背存在高30cm以上的空洞且有效衬砌厚度小于30cm时,空腔落石就可能砸坏衬砌结构,国内外均有过类似事例。因此,发现类似情况,可按表中3/4状况值评定。尤其是曾经发生塌方的地方或节理发育、漏水严重的地段,尤其应给予充分的注意。

  根据隧道竣工资料了解到隧道施工期间多次发生塌方、冒顶等事故,并且此次隧道检测发现隧道渗漏水较为严重,已经影响了车辆的正常行驶。故评定隧道有较严重的安全隐患。

5 空洞产生原因分析

(1)工程地质及水文地质本隧道地质条件复杂,断层破碎带贯通至地表且紧邻地表汇水冲沟,施工期雨季和冬雪融化季节洞内渗水严重。在水的作用下,围岩中的细小颗粒极易被水带走而形成空洞。

(2)施工 隧道爆破开挖容易超挖,施工单位为节约成本对超挖部分往往回填不够密实。根据规范要求,隧道开挖超挖部分应采用混凝土回填密实,否则回填空隙会成为地下水串流的通道,加速衬砌背后空洞的发展。

(3)运营隧道运营过程中由于衬砌老化等原因产生变形,使衬砌和初支及围岩间分离而产生空洞、孔隙。

6 衬砌背后空洞处治方案

结合衬砌背后空洞可能产生的危害和本隧道的实际情况,空洞治理的目的主要为:防止围岩松弛扩大,恢复衬砌和围岩共同承载的能力,提高止水效果。所以,空洞应尽量填满,且回填要密实。隧道空洞回填材料应具有流动性好,且有一定的强度。传统空洞回填材料一般选用水泥砂浆,但根据以往整治的效果来看,普通水泥砂浆往往存在比重大,施工附加荷载较大的问题。本隧道空洞基本连通,局部空洞高度达到2.3m,填充水泥砂浆,结构承受的附加荷载较大,需对衬砌结构进行补强。泡沫混凝土由于其容重小,流动性好等优势也逐渐应用于隧道空洞回填中,两种回填材料的比选结果如表3。

综合比较,泡沫混凝土在大规模空洞回填上更具优势,本项目推荐采用泡沫混凝土作为回填材料。

7 空洞回填后衬砌结构验算

  根据《公路隧道设计规范第一册土建工程》对泡沫混凝土填充回填后混凝土二衬结构安全性进行验算:素混凝土达到抗拉极限强度的安全系数为3.6,钢筋混凝土达到抗拉极限强度的安全系数为2.4。选取空洞最深断面进行验算:该断面衬砌背后空洞最深达到了2.3m,围岩为Ⅲ级,二衬边墙两侧回填密实无空洞,内力图见图2和图3。

  经验算,最小安全系数位于拱顶,安全系数为8.67,拱腰安全系数3.76,满足规范要求。

8 空洞处理施工工艺

(1)根据空洞大小一个断面布置3~5个注浆孔,孔口间距2m,纵向每隔2m布置一排气孔。注浆管顶部焊接10cm长有直弯钩的钢筋,既保证出浆口空间,又可以保护防水层不被刺破(图4)。

  (2)泡沫混凝土回填采用小口径泵送管灌注,从低端开始,向高端推进,逐排灌浆。注浆从两个边孔开始,压注泡沫混凝土浆液,工作压力0.5~1.0MPa,当有浆液从中孔中流出时,接着从中孔压注水泥浆,工作压力保持1.0MPa,直至出气孔有浆液流出,此段注浆结束;施工时应控制好注浆压力,并应有衬砌临时支护措施,同时密切观察衬砌变形位移及周围裂缝的发展情况,确保施工安全。

(3)空洞处治结束后通过地质雷达扫描或直接钻孔取芯等方法检测密实情况,如发现效果不佳,应进行补管注浆。

(4)注浆完成后,割除露出衬砌外的注浆管,并用环氧砂浆抹平。

(5)对隧道渗、漏水严重的施工缝、变形缝,其排水处治应在空洞回填完成后进行。

(6)质量控制参照《混凝土泵送施工技术规程》以及《现浇泡沫轻质土技术规程》执行。

9 质量检验

   本隧道空洞回填完成后,建设单位委托检测单位对隧道进行了雷达扫描检测。经检测,隧道衬砌背后空洞回填基本密实,衬砌结构未出现变形。由此可知本隧道空洞采用泡沫混凝土回填方案是可行的。

10 结论

本文结合隧道衬砌背后空洞的存在条件,对空洞产生的原因进行分析,并探讨空洞的处理方案和实施方案,得出的主要结论如下:

(1)衬砌背后空洞应尽量回填密实,恢复地层反力,既提高了承载力,也堵住了空洞这个流水通道,提高隧道的防水作用。

(2)泡沫混凝土作为一种新型的材料相比于传统的水泥砂浆具有流动性强、容重小、衬砌背后填充对结构附加荷载小等优点,能在衬砌背后空洞处理中推广使用。


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