摘要
为解决地处高原、严寒地区及高地应力地段的铁路隧道仰拱病害对隧道施工进度和后期运营安全的影响,以兰渝铁路木寨岭隧道仰拱病害为例,通过对病害类型及造成病害发生原因进行详细分析,得出仰拱病害主要分为表面裂缝、开裂隆起、渗水3种类型,影响因素主要为人为原因、外部环境原因2种。通过对病害形成原因分析及不同病害类型针对性的处理,结果表明:
1)在施工阶段通过严控施工工艺、加强设备保障、提高对高寒地区高地应力的认识,可以提前预防病害;
2)在整治阶段,根据病害类型及发展程度,采取环氧砂浆嵌补处理、仰拱桁架加固、基底钢管桩加固、渗水段打设泄压孔注浆加固、水沟优化为双层盖板及洞口段加设自动温控电伴热带装置等一种或几种措施相结合的方式,能杜绝或减少仰拱病害的出现,并解决已经发生的病害。
关键词:高原严寒地区；铁路隧道；高地应力；仰拱病害
引言
目前,随着社会的进步、经济的发展和国家的交通强国规划布局,国内基础建设也迎来了跨越式发展,一大批以前限于技术、经济原因未规划、未实施的工程也逐步开始施工。特别是中西部山区规划的铁路、公路工程越来越多,其全线的桥隧比很高,很多路段达到70%以上。路线涉及区域越来越广,如高原地区、严寒地区等;工程面临的地质条件越来越复杂,如极高地应力、高岩爆、高地温等。隧道工程因地质状况复杂,施工后特别是仰拱往往会出现各种病害,对病害的处理是比较棘手的问题。
现阶段,对铁路、公路隧道病害的研究和处治措施有很多,如董跃锋阐述了隧道通过防排水、混凝土冬季施工保温措施来预防病害;童波通过病害检测及力学特性分析病害产生的原因;马伟斌等通过采用相关仪器设备对隧道进行有效检测和实时监测,并基于运营铁路隧道状态评估方法,总结了一套适用于运营铁路隧道的病害整治技术体系;潘红桂等以某隧道渗漏水整治问题为研究对象,对高寒地区运营铁路隧道渗漏水及冻害整治技术进行阐述与分析,并采用注浆与加热保温相结合的综合整治技术,实施效果良好;刘赟君等针对季节性暴雨对隧道病害成因及治理分析进行了研究;龚伦等提出的“物探+钻孔三维激光扫描”技术,为隧道衬砌空洞病害整治提供准确数据,为设计出更具针对性和操作性的整治方案提供了依据。
这些研究大多集中在水害、冻害及二次衬砌拱墙面,或者是运营后出现的病害处理、分析和实施监控,并且面对的环境比较单一。针对高寒环境及高地应力地段的病害产生原因及处治措施综合研究在现阶段不多,特别是针对仰拱地段没有系统的研究。本文结合兰渝铁路木寨岭隧道施工建设实践,着重分析高原、严寒地区及高地应力地段下铁路隧道仰拱病害类型及原因,采用的防范与整治措施以期为同类隧道治理仰拱病害提供参考。
1工程概况
兰渝铁路木寨岭隧道为双洞单线分离式隧道,隧道全长19.1km,隧址区位于秦岭—昆仑纬向构造体系,后期被祁吕贺兰山字型构造体系改造、复合、归并,并在茶固滩一带又被茶固滩帚状构造体系改造,海拔为~m,最大埋深为m;年平均气温为5.8~16.1℃,最低月平均气温为-6.4~-7.5℃,极端最低气温为-24.3~-27.9℃,土壤最大冻结深度为90~cm,属于严寒地区(Ic);隧道位于青藏板块、华北板块、杨子板块、西伯利亚板块交接挤压地带,形成了形态各异极其复杂的褶曲与断层束构造,洞身共发育11条断裂带,最大断裂带宽约1km,通过地层主要为二叠系炭质板岩,遇水易软化,属极高地应力软岩区,为极高风险隧道。
2病害类型及原因分析
2.1
病害类型
仰拱结构是隧道衬砌支护体系的重要组成部分,由仰拱和仰拱填充组成。仰拱结构的稳定与否,直接影响隧道的整体稳定和长期运营安全。隧道施工后,受地应力和地质构造影响,在距洞口m左右(DK+~+)及洞身多处地段仰拱填充面沿隧道纵向出现不规则的裂缝,裂缝宽度2~15mm不等,有渗水现象;其中又以距隧道进口洞口8~9km最为严重(DK+~D+),裂缝宽度5~23cm不等,并出现较大隆起现象,局部已形成空洞,并伴有渗水,特别是在隧道DK+处隆起高度为61cm,严重侵入行车空间,原支护体系及受力结构遭到破坏。其中洞口仰拱病害主要为裂缝及渗水,埋深59.5~74.5m;洞身仰拱病害主要为开裂隆起及渗水,埋深.3~.2m。本区为中等富水区,属西秦岭中山区,地下水类型以基岩裂隙水及岩溶裂隙水为主,主要储存于砂岩、板岩、石灰岩、炭质板岩夹层及区域大断裂断层破碎带。隧道仰拱裂缝及开裂隆起如图1和图2所示。
综上所述,该隧道仰拱病害主要表现为仰拱表面裂缝、开裂隆起和渗水3种类型,未见侧沟开裂及下沉现象。
2.2
原因分析
仰拱病害的出现往往不是由单一因素导致,而是几种因素叠加造成的,考虑到隧道所处区域位于高原、严寒地区及高地应力环境下,自然环境恶劣、地质条件复杂,故将仰拱病害出现的原因主要分为人为因素和外部环境因素。
2.2.1人为因素
1)施工过程中个别管理及施工人员质量意识淡薄,在关键工序中把关不严,不按照技术交底和规范要求施工。如基底开挖后未将虚渣清理干净,未抽排干净仰拱积水;混凝土浇筑过程中未及时振捣造成的混凝土不密实,浇筑完成后未及时养护等,导致混凝土强度降低;施工缝、变形缝处理不当,产生漏水缝隙,形成地下水渗漏的通道等。
2)施工管理措施不到位,未根据当地环境做相应的调整。如因隧址地处高原、严寒地区,空气含氧量低,工程机械设备动力不足,某些施工管理人员仍按常规时间搅拌混凝土,混凝土搅拌运输车未保温,运输车辆故障率高,搅拌时间偏少等,导致混凝土搅拌不均匀,运输时间超过规范要求,入模温度低,进而影响混凝土质量,导致混凝土的实际强度远低于设计强度。
3)对高原、严寒及高地应力软弱围岩认识不足,软岩大变形机制及变形规律不易掌握,在设计阶段未充分考虑软岩的复杂程度,特别是极高地应力地段设计强度不足,支护措施相对较弱,不能抵抗围岩变形给仰拱带来的破坏。
2.2.2外部环境因素
1)隧道围岩以炭质板岩为主,具有膨胀性,实测水平地应力最高为38.38MPa,围岩应力比最低为0.02,在地应力下作用下应力有缓慢聚集突然释放的特点。隧道开挖后,原有的初始地应力场被破坏,围岩应力进行重分布,进入二次应力状态,部分围岩很快发生松弛,强度迅速降低,产生显著塑性变形和流变,并随着时间松弛的产生,裂隙向围岩深处扩展,在遇到岩性极差、应力极高的情况下,仰拱出现裂缝,严重时导致隆起开裂,破坏其完整性。
2)地下水的存在和运动会对岩体颗粒产生静力动力作用,造成岩体结构损伤,导致其孔隙率增大,水体渗入,同时因炭质板岩遇水易软化,加大了地下水对围岩工程力学性能的损伤作用,大大降低了岩体强度,增加了围岩的变形。另外,隧道全线贯通后也加快了地下水的流动,因所处区域为高原、严寒地区,边墙、侧沟排水及地下水沿漏水缝隙贯通,在冬季水体出现冻结现象,长期情况下,围岩形变压力超过仰拱的结构强度,导致洞口段仰拱开裂。
3处治措施
根据隧道仰拱破坏情况和类型,对仰拱病害的处理主要分为预防和整治2个阶段。预防阶段主要是在施工前及施工阶段提高对高原、严寒地区特殊自然环境及高地应力的认识,有针对性地加强现场质量关键环节管控;整治阶段主要是对裂纹采用环氧砂浆嵌补处理;结构遭到破坏处拆除仰拱和初期支护,同时对仰拱和基底采取加固措施;在渗水量大处打设泄压孔集中引排,其他渗水部位开槽引排至水沟,同时对水沟采取保温处理防止流水上冻。具体处理方式根据仰拱破坏程度采用一种或几种措施相结合的形式整治。
3.1
预防阶段
3.1.1严控工艺
高原、严寒地区施工不同于常规低海拔地区,针对高原、严寒特点必须提前调研,搞好综合施工保障,做好施工专项措施,制定适宜的管控体系,对可能影响施工质量的关键环节、重点部位必须严格把关,管理到位。同时对传统施工工艺、工法进行优化、改进,如在混凝土搅拌时先把水、水泥、砂拌和后再放入石子搅拌,以减少硬化后混凝土上下层的强度差,混凝土捣鼓时采用2次捣鼓方式提高其抗压强度。
3.1.2设备保障
根据高原、严寒地区强紫外线、低气压、低密度、低温等环境特点,选用合适的机械设备,并对设备的动力系统、液压传动体系、低温冷启动等方面进行改进,同时选用适用于高原环境下的油料,加强设备保养,以保证工程机械动力不下降,确保机械设备可靠性及安全性处于最佳状态,避免因机械设备原因造成施工质量病害出现。
3.1.3提高认识
提高对高原、严寒地区及高地应力的认识,特别是长大隧道极高地应力软岩大变形规律的探索,遇到形态各异、极其复杂的褶曲与断层束构造,应提前采取针对性的措施以规避后续会出现的病害。如针对仰拱隆起段,通过将无砟轨道改为有砟轨道结构形式,最大限度地降低后续整治及运营风险。
3.2
整治阶段
3.2.1混凝土/环氧砂浆嵌补处理
经现场排查,填充表面开裂无隆起且裂缝深度小于30cm的地段,采用比原设计混凝土高一级标号混凝土和环氧砂浆封闭。主要施工工序为:沿缝凿槽—清理槽缝—浇筑混凝土/环氧砂浆封闭—养护。具体施工工艺流程为:
1)沿缝凿槽。沿裂缝长度方向凿倒梯形槽,槽口宽度为20~30cm,槽底比槽口宽10~15cm,槽深比原裂缝深5~10cm,不得留有松散、气泡、裂隙等结构,切口面应粗糙,但结构应致密。
2)清理槽缝。开槽成功后,用钢丝刷清理,然后用高压风(水)清洗干净。
3)浇筑混凝土/环氧砂浆封闭。对深度较大、面积较大的采用提高一个标号等级混凝土浇筑;对面积较小、深度15cm以下的采用环氧砂浆分层施工,即先均匀涂刷底层基液,然后分层涂抹环氧砂浆,涂抹时要用力压实,每层厚度不超过1.5cm。
4)养护。封闭后进行喷雾养护或覆盖养生,养护期间上面不得走人或覆压重物。
3.2.2仰拱桁架加固
对裂缝深度大于或等于30cm或隆起地段,须拆除仰拱,重新进行加固处理。主要施工工序为:拱脚加固—拆除仰拱及填充—仰拱底加固—拆除初期支护—清理基底—施工初期支护—仰拱加固—浇筑混凝土—布点监测。具体施工工艺流程为:
1)拱脚加固。在两侧墙脚纵向盲管下方位置沿环、纵向打设?42mm小导管径向注浆,小导管长4m。其中环向2根,间距0.2m,与水平夹角分别为30°和45°,纵向间距1.2m,小导管施工不得破坏原有防水层。
2)拆除仰拱。采用人工配合机械(挖机带破碎头)或静态爆破方式拆除仰拱,仰拱拆除1次不得超过2m,每拆除6m后及时封闭。
3)仰拱底加固。初期支护拆除前采用竖向?42mm小导管进行注浆加固,管长3m,间距为1.5m×1.5m,梅花形布置。
4)拆除初期支护。采用人工配合机械拆除仰拱初期支护。
5)清理基底。初期支护拆除后清理基底虚渣、积水,深度满足设计尺寸。
6)施工初期支护。仰拱初期支护设钢架,钢架型及间距与原参数一致,钢架安设完成后按设计厚度喷射C25混凝土。
7)仰拱加固。待仰拱钢筋绑扎后在初期支护钢架上设置T型钢桁架,型号及间距与初期支护参数一致,桁架与初期支护钢架焊接牢固。
8)浇筑混凝土。待仰拱加固完成后浇筑混凝土,仰拱及填充分层浇筑捣鼓密实。
9)布点监测。仰拱及填充浇筑完后,在左右边墙仰拱中间布设监控量测点,布点间距纵向3m/断面,按频率监测,有问题及时反馈。仰拱拆除处理断面示意如图3所示,仰拱桁架加固如图4所示。
3.2.3仰拱基底钢管桩加固
针对部分段落在采用桁架加固仰拱仍然开裂、隆起的情况,开挖后遇到类似围岩(同类岩性)提前对基底采用钢管桩进行加固处理。施工过程与仰拱加固类似,钢管桩在初期支护完成后施作。此处主要介绍钢管桩施工工序:测量定位—钻机就位—钻孔—清孔—安装下放钢管—注浆—成桩。具体施工工艺流程为:
1)测量定位。测量组按照间距1.0m×1.0m,梅花形布置,定出钢管桩孔位。
2)钻机就位。根据测量组放出孔位,将钻机安放平整,固定牢固,防止倾倒。
3)钻孔。启动钻机,慢慢钻进至设计有效深度,钻孔采用跳孔方式施工。
4)清孔。注浆前高压清孔,使孔底沉渣全部排出。
5)安装下放钢管。清孔后及时下放提前预制好的钢花管,钢花管采用?mm无缝钢管,管长8m,壁厚6mm,管身钻孔,孔径1~1.5mm,孔间距15~20cm,梅花形布置,钢管尾端1.0m范围内不钻孔作为止浆段,钢管间采用螺纹套管连接。
6)注浆。钢管下放好后注1∶1水泥浆,注浆压力为1.0~2.5MPa,注浆时跳孔交叉注浆。基底钢管桩平面布置示意如图5所示,基底钢管桩加固如图6所示。
3.2.4渗水处理
隧道围岩以炭质板岩为主,具有膨胀性,遇水易软化。为增强岩体强度,根据现场情况,须对水害进行处理,以防止水病害扩大或进一步发展。在渗水集中处距侧沟10cm位置钻孔安装?30mm钢管,钻孔深度至仰拱初期支护下方5~10cm处,2根为1组,一根排水泄压,另一根向基底注浆加固,每组钢管纵向间距2m;水量大时安装?50mm钢管,纵向间距可适当调整,并增加钢管组数。钢管安装完成后采用交叉注浆,注浆孔对侧孔作为排水及泄压孔。注浆及泄压孔布置平面如图7所示。其中①、③、⑤、②′、④′、⑥为注浆孔,注浆压力不大于0.5MPa;①′、③′、⑤′、②、④、⑥为泄压排水孔,并将水引至两侧排水沟槽,通过处理,有效解决了渗水问题。
3.2.5水沟保温
在隧道的排水系统中,排水沟水流畅通对于隧道后期的安全运营有重要作用。特别是在高寒地区,若不做好排水沟保温措施,在流水温度低时极易引起排水沟因冻结而堵塞,导致仰拱、侧沟等部位产生冻融现象,加剧病害出现。因此,为保证水沟流水温度低时不结冰,根据现场施工建设实践,采用2种方式对水沟保温:一是在原设计水沟保温基础上进行优化,设置双层盖板保温水沟,并在双层盖板之间设聚氨酯保温层进行密封、隔热保温,同时对隧道进出口1m范围内侧沟下层盖板底下增设10cm厚的聚氨酯保温层;二是将隧道洞口段电伴热带范围由m调整为1m,同时安装双电源自动温控装置,能够根据水沟温度自动关闭和开启电伴热带,这样既保证了水沟流水畅通,杜绝水沟冻害,又降低了后期人员维修工作强度。水沟聚氨酯保温如图8所示。
4施工注意事项
1)拆除仰拱时应结合施工缝分布情况,利用拱墙衬砌自身稳定性,先从拱墙整板衬砌的中间部位开始施工。先拆除开裂部位,然后再拆除相邻影响段,拆除前应在原衬砌矮边墙部位手持切割机将拱墙衬砌和仰拱衬砌分割。
2)拆除前应在拆除段和未拆除段之间利用20~30cm宽的凹槽作为减震槽,切割时应将仰拱填充钢筋和二次衬砌钢筋等一次切断,避免拆除过程对未拆除段结构的影响。
3)浇筑仰拱前应人工修整保留区衬砌接头处,重新施作的钢架、钢筋等与原施作完成的边墙底脚处衬砌后露出的钢架、钢筋重新连接,并采用连接板钢板满焊及两侧帮焊?22mm钢筋等措施加强连接,对无法与边墙钢筋连接地段或边墙无钢筋地段,对边墙采取植筋的方式与仰拱钢筋连接。
4)为保证新旧混凝土结合紧密并具有较好的防水能力,拆换混凝土施工缝必须加设止水带防水。
5)加强注浆工艺的控制和管理,通过试验确定最终的参数浆质量。强化注浆施工全过程把控和监控,以确保注浆质量。
6)注浆孔清孔操作应采用专用钢刷清孔至少3次,用气泵除尘操作不得少于3次,孔内应无冰、水或油、脂等杂物。
7)施工前对重大危险性项目应编制专项施工方案,安排好进度、机具配置、施工场地布置等,使各工序衔接紧密,并应特别强调采取切实可行的安全防护措施,以确保施工安全。
8)处理期间加强监控量测,在填充面及墙脚处设置观测点,并对量测数据及时分析和反馈。同时加强施工过程中的安全巡查,对发现的隐患采取措施,有险情立即处理,确保施工安全。
5结论与体会
目前高原、严寒地区及高地应力环境下仍未有一整套完整、成熟的施工设计体系,在施工中及完工后仰拱往往出现各种各样的病害问题,本文通过对兰渝铁路木寨岭隧道仰拱病害原因及处治措施的分析,得出了以下结论:
1)病害的出现是多种原因共同作用下出现的,提前预防病害的出现是整治的重要措施,在施工阶段通过严控施工工艺、加强设备保障、提高对高寒地区高地应力的认识可以提前预防病害,杜绝或减少仰拱病害的出现。
2)在整治阶段根据病害类型及发展程度采取混凝土/环氧砂浆嵌补处理、仰拱桁架加固、基底钢管桩加固、渗水段打设泄压孔注浆加固、水沟采取双层盖板并增加保温材料、洞口段加设自动温控电伴热带装置等多种措施相结合的方式,较好地解决了已经发生的病害。
3)如何提前防范和预判病害问题的出现,如何在复杂的施工环境中找到一种或几种有效的措施结合起来,对于消灭病害、避免后续返工有重要意义。提高施工及技术人员对特殊环境的认识,使之以最高效的管理手段、最优化的设计方案、最小的经济投入来解决复杂多变仰拱病害问题,在今后施工中还应继续探索研究。
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