秦山隧道病害分析與加固研究

文/吳志明 中核核電運行管理有限公司 浙江海鹽 314300 王煒龍 浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司 浙江杭州 310012

由受諸多因素干涉，比如水害，凍害，不良地質(zhì)及襯砌材料侵蝕、設(shè)計建造時間較為久遠等，從而導(dǎo)致很多不良現(xiàn)象產(chǎn)生，秦山隧道襯砌混凝土外觀不斷出現(xiàn)開裂、變形、剝落、掉塊等，且襯砌的有效厚度也在不斷減小，以至于襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，使用壽命不斷降低，經(jīng)采用地質(zhì)雷達等先進檢測評估手段全面評估隧道結(jié)構(gòu)等總體技術(shù)狀況情況，最終判定為4類隧道，存在不同程度的裂縫、空鼓、防水、防火等問題，嚴重影響交通通行安全。因此，有必要對秦山隧道存在的病害及環(huán)境問題進行全面分析、維修與加固。

1、秦山隧道概況

秦山隧道主要承擔著秦山第二核電廠在施工、安裝期內(nèi)各種建筑材料、設(shè)備、機具及超大型設(shè)備的運輸及運行后核電站的材料、設(shè)備等各種物料的運輸功能。整個隧道全長一共963.72米，0～30米的開挖斷面，11.2米的寬，9.05米的中心高；與10.8米的寬落后30米段，8.85米的高。除此以外，圓拱直墻式是隧道的斷面型式，復(fù)合式襯砌被其采用，防水板未設(shè)置于初期支護與二次襯砌間，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計強度為C20，素混凝土設(shè)計強度為C15。

2、隧道病害情況

根據(jù)2015年最近的檢測評估報告，隧道結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定為4類，即嚴重破損。由于隧道自身有著嚴重破壞，以至于行人，行車安全已深受其影響，如若想改變現(xiàn)狀，則必須將結(jié)構(gòu)病害措施以及交通管制迅速實施。

（1）通過現(xiàn)場的外觀，檢查結(jié)合秦山隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)裂縫檢測報告顯示，隧道結(jié)構(gòu)存在多處襯砌開裂現(xiàn)象，最大裂縫寬度超過2mm，裂縫寬度大于0.4mm基本判定為貫穿裂縫，局部裂縫呈網(wǎng)狀分布，造成襯砌結(jié)構(gòu)完整性較差，結(jié)構(gòu)安全風險較大。

圖1 秦山隧道局部襯砌密集開裂（摘自裂縫展布圖）

（2）裂縫處及部分施工縫處存在較為嚴重的滲水現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為襯砌施工縫帶狀滲水及裂縫滲水；側(cè)墻裝飾面層及拱頂砂漿層存在與襯砌脫空現(xiàn)象，有掉落風險，影響正常使用與行人行車安全。

（3）素混凝土 C15，鋼筋混凝土 C20為原設(shè)計混凝土的強度等級，由調(diào)查結(jié)果可知，較大的混凝土離散性出現(xiàn)在各斷面之中，且一經(jīng)修整，混凝土的推定強度均不小于C20，混凝土并未出現(xiàn)強度降低現(xiàn)象，材料亦未發(fā)生劣化。在襯砌混凝土中，9毫米的最大深度仍低于鋼筋的保護層厚度。

（4）在一定范圍內(nèi)，隧道襯砌的鋼筋配置情況，比如鋼筋的數(shù)量，直徑，間距，以及保護層厚度等等，均可以通過鋼筋掃雷雷達進行抽檢，且一經(jīng)檢測可以得知，符合有關(guān)規(guī)范設(shè)計的基本要求。

（5）由相關(guān)數(shù)據(jù)檢測可以得知，在襯砌混凝土鋼筋中，經(jīng)被測的截面鋼筋銹蝕電位普遍不大于-200mV，由諸多評判標準可以得知，有較低的銹蝕概率，大概為5%,基本上可以定為有不確定的銹蝕活動性或者根本沒有銹蝕活動。

（6）由電阻率測試結(jié)果可以得知，大體上襯砌混凝土有著較低的銹蝕速率， 50～100 kΩcm是其普遍電阻率。

（7）由直墻裝飾面的變形檢測可以得知，對襯砌混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)并無明顯變形，或其變形幾乎可以忽略。

（8）諸多缺陷仍存在于該隧道區(qū)域內(nèi)，比如脫空，孔洞等等，以至于隧道襯砌開裂破損等現(xiàn)象仍舊時常發(fā)生，應(yīng)對缺陷部位進行相應(yīng)技術(shù)處理。

3、病害原因分析

通過對2015年秦山隧道結(jié)構(gòu)檢測評估報告和裂縫檢測報告分析，結(jié)合隧道地勘、施工資料，隧道病害產(chǎn)生原因分析如下：

3.1 有關(guān)襯砌的環(huán)向、斜向、縱向裂縫

1）隧道建成時間早，當時施工水平有限，二次襯砌混凝土拆模過早，養(yǎng)護不足，承受圍巖荷載時強度不足產(chǎn)生環(huán)向、斜向裂縫。

2）隧道地質(zhì)條件較復(fù)雜，共計13處受斷層影響，襯砌背后圍巖松動荷載隨時間逐漸增大，易在二襯結(jié)構(gòu)薄弱處尤其在拱頂位置發(fā)生縱向開裂。

3）二次襯砌與初期支護之間存在空洞、脫空、不密實現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)受力時常不均，以至于應(yīng)力集中現(xiàn)象時常發(fā)生，縱向、斜向裂縫不斷形成。

4）隧道邊墻下方基礎(chǔ)施工期間濕軟不堅實，襯砌產(chǎn)生不均勻沉降，形成環(huán)、斜向裂縫。

3.2 襯砌不密實、空鼓

1）襯砌施工控制不規(guī)范，混凝土振搗不足導(dǎo)致襯砌混凝土不密實。

2）道由于隧道開挖過多，從而需要回填，但回填極不密實，所以致使空洞、脫空現(xiàn)象普遍存在于襯砌背后。

3.3 砂漿層脫落

1）砂漿層強度較低，同時襯砌表面光滑，砂漿層與襯砌間粘結(jié)效果差，造成防火層粘結(jié)不牢而脫落。

2）重車通過隧道時造成襯砌發(fā)生瞬間震動，造成防火層松動、脫落。

3.4 襯砌厚度不足

致成二襯厚度不足的原因只有兩個，其一，整個施工缺乏規(guī)范性或規(guī)范性過低，其二，有空洞脫空存在于襯砌背后。

3.5 襯砌滲漏水

1）隧道經(jīng)過多年運營，排水系統(tǒng)局部淤積堵塞，導(dǎo)致地下水不易排出；同時襯砌背后存在不密實區(qū)及空洞，易形成地下水富集區(qū)。

2）隧道建成早，初期支護與二襯之間未設(shè)置防水板，施工縫止水條老化損壞，失去防水功能，地下水沿二次襯砌施工縫及襯砌裂縫滲出。

4、加固總體原則及方案

4.1 加固總體原則

1）針對襯砌的病害情況、產(chǎn)生機理，有針對性的采取處治措施。

2）處治應(yīng)按先襯砌空鼓注漿，再襯砌滲漏水處治，然后裂縫補強，襯砌鋼板或套拱加固，最后裝飾層修復(fù)的順序進行。

3）襯砌滲漏水處治按“宜疏不宜堵”原則進行，通過治理基本達到“不滲不漏”的效果。

4）襯砌加固盡可能保持原結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)補強。

5）通過隧道結(jié)構(gòu)加固，達到恢復(fù)原設(shè)計使用功能的目的，同時確保隧道裝飾美觀。

6）采用成熟工藝，施工材料、工藝與施工條件緊密結(jié)合，可操作性強。

4.2 加固總體方案

1）對于二次襯砌與初期支護之間存在不密實、空鼓、高含水現(xiàn)象，采取注入水泥—水玻璃雙液漿進行填充。

2）對于襯砌滲漏水，采取鑿槽埋管的方式進行處治，當襯砌出現(xiàn)大面積的嚴重滲水時，同時采取拱腳泄水的方式進行處治。

3）對于襯砌環(huán)向、斜向、縱向裂縫，對于大于0.2mm的超限裂縫，采取裂縫注膠方式進行處治。

4）對于襯砌厚度不足和襯砌網(wǎng)狀嚴重開裂的段落：采取襯砌鋼帶加固的方式進行處治。

5、鋼板帶加固

5.1 加固段

根據(jù)秦山隧道病害檢測評估報告和裂縫檢測報告襯砌結(jié)構(gòu)厚度和裂損情況，對襯砌結(jié)構(gòu)網(wǎng)裂密集段落及較大規(guī)模拱部襯砌厚度不足段落共計331m長段落，進行鋼帶加固，加固段落見下表1所列。

本次采用幅寬25cm、厚5mm的w鋼帶進行環(huán)向襯砌加固，鋼帶縱向間距100cm。鋼帶環(huán)向設(shè)置范圍為隧道拱部位置。鋼帶采用錨栓進行固定后，注入膠黏劑與襯砌粘結(jié)為一體。錨栓采用M16化學(xué)錨固螺栓，植入深度不小于12cm。

5.2 鋼板帶方案加固優(yōu)點

①W鋼帶抗彎截面模量提高37倍，向下截面模量約是向上截面模量的2.75倍。②W鋼帶與其他類型鋼帶比，W鋼帶更不易撕裂，而且鋼度大，提高70倍左右。③W鋼帶冷軋過程中的硬化作用，提高抗拉強度12%-15%。④W鋼帶截面利用率高，節(jié)省材料。⑤既有機電設(shè)備基本不用拆除，鋼帶布置位置與其沖突時，可做適當調(diào)整。⑥施工快速、環(huán)保，可實現(xiàn)單車道交替通行。

圖2 襯砌鋼帶加固設(shè)計圖

5.3 鋼帶加固施工工藝

1）基面的處理

①在粘貼鋼帶位置進行基面處理，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。②將混凝土表面清理干凈并保持干燥。③鉆制錨栓預(yù)留孔。

2）W鋼帶制作

①鋼帶粘結(jié)面用噴砂或除銹機打磨直至露出金屬光澤，打磨紋路應(yīng)與鋼帶受力方向垂直，鋼帶粘結(jié)面應(yīng)有一定的粗糙度；用脫脂棉沾丙酮將鋼帶表面擦拭干凈。②依據(jù)現(xiàn)場植埋的錨栓位置、間距，對待固定的鋼帶進行配套打孔。③鋼帶外露面涂刷防腐底漆3道。

3）粘貼W鋼帶

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——鋼帶表面防腐處理。

5.4 粘貼鋼帶的施工要點

①鉆孔植埋錨栓：

（a）依照設(shè)計圖紙的要求，放出需鉆孔的位置。（b）應(yīng)采用與錨栓直徑配套的鉆頭進行鉆孔。（c）鉆孔應(yīng)清理干凈，保持干燥，不得有油污。（d）植錨栓的施工按照中華人民共和國國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367-2013）的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

②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，用低速攪拌器攪拌均勻，并在適用期內(nèi)用完。膠黏劑應(yīng)滿足設(shè)計要求的各項力學(xué)指標和耐久性要求。其質(zhì)量應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367-2013）的相關(guān)規(guī)定。

③涂刷膠黏劑：涂刷膠黏劑前應(yīng)對襯砌表面進行基面處理，保證粘貼面堅實干燥，對表面缺損處及不平整處采用改性環(huán)氧砂漿進行找平處理。基面處理完成后，在襯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。

④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接頭鋼帶進行搭接，接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用用錨栓固定，并用粘鋼膠粘結(jié)。

2.檢索策略：采用潛水醫(yī)學(xué)方面的關(guān)鍵詞、主題詞、名稱、摘要、權(quán)利要求書等檢索詞，匹配專利數(shù)據(jù)庫進行檢索構(gòu)成檢索式：名稱、摘要、權(quán)利要求書(水下或高氣壓或潛水或脫險)和(醫(yī)學(xué)或設(shè)備或加壓艙或裝具或裝備或裝置或呼吸器或生命支持系統(tǒng))；檢索時間：2016年11月初，檢索2016年9月30日前的專利和專利申請。

⑤鋼帶表面防腐處理：經(jīng)檢驗確認鋼帶粘貼固化密實效果可靠后，并清除鋼帶表面污垢。對安裝過程中造成的底漆破損進行補漆，再在鋼帶外露面涂刷面漆4道。

⑥處治進行鋼帶分段時，鋼帶連接采用平口焊接，再用長60cm的W接頭鋼帶進行搭接，接頭鋼帶與原加固W鋼帶之間用用錨栓固定，并用粘鋼膠粘結(jié)。

⑦采用縱向平鋼板與環(huán)向鋼帶焊接，并用接頭鋼板進行錨接。

⑧最后采用3cm厚聚合物砂漿對加固區(qū)域進行封閉。

6、施工遇到的實際問題處理

下文，我們將對施工中遇到的實際問題進行詳細分析和介紹處理方案。

6.1 原拱頂砂漿剔鑿問題

為了確保水泥砂漿及防火涂料的整體性，結(jié)合實際現(xiàn)場對0～205、603～964樁號間的砂漿層進行鑿除。其余205～603區(qū)間根據(jù)砂漿粘結(jié)強度檢測，檢測結(jié)果≥0.3MPa能滿足要求，同意保留原有砂漿層。施工時，要求在新老砂漿層交界位置注意平整，同時對未鑿除的老砂漿層進行清洗除灰處理。此外對于保留的砂漿層也要再行進行空鼓錘敲擊及外觀檢查等，對局部空鼓及劣化嚴重的零星部位進行處理。

6.2 樁號643m處襯砌薄弱、空鼓部位處理

6.3 隧道北部零星部位雙夜注漿屢注不滿問題

根據(jù)現(xiàn)場查看應(yīng)按照原設(shè)計處理方案進行現(xiàn)場實施，同時經(jīng)過處理仍未注滿時，可由檢測單位現(xiàn)場查一下注漿空洞大小和注漿流動范圍，以便最終解決方案的確定。

6.4 南北洞口范圍錨桿施工問題

在南北洞口（各約30米）范圍錨桿鉆孔困難問題，無法規(guī)避鋼筋的情況下，可適當增大鋼帶間距，由1米調(diào)整至2米，同時要求對已實施的錨桿（遇到障礙無法繼續(xù)鉆孔），必須仍按照原錨桿施工工藝，埋植錨桿并封堵。

6.5 隧道空洞較大處部位處理

原則上中空注漿錨桿應(yīng)按照設(shè)計進行施工，如有漿液流入空鼓位置時，建議根據(jù)現(xiàn)場情況采用止?jié){塞進行止?jié){作業(yè)。當遇到止?jié){塞無法有效止?jié){的特殊情況時，可采用錨固劑臨時錨固的方案，但該方案應(yīng)確保錨桿端頭出漿孔位置應(yīng)保留出漿空間，避免出漿孔被錨固劑堵塞，以便后期注漿加固錨固端巖體。

6.6 雨水較多，南北洞口附近頂部滲水問題

面對雨水較多，施工過程中發(fā)現(xiàn)，隧道南北洞口附近頂部出現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象，主要集中在以下三個典型部位：中空錨桿、化學(xué)錨栓、裂縫（包括施工縫、細微裂縫）起拱線位置，制定有針對性處理措施如下：

1）粘貼鋼板帶處

在滲水集中點周圍增打1m深注漿孔，注入水溶性聚氨酯灌漿堵水高分子材料，填充遇水凝固的堵漏劑于孔洞位置，并且最終在滲水表面噴涂高效防水涂料。

2）其他一般段落

有條件時盡量采取引排措施，開槽引流，但環(huán)向排水管縱向間距不宜過小，最小不小于5m，排水管附近存在滲漏水時，可斜向開槽將水導(dǎo)入環(huán)向排水管內(nèi)，導(dǎo)水管內(nèi)應(yīng)加密引水孔，增強引排效果。

圖3 裂縫注漿補強設(shè)計

不具備開槽條件時，打1m深注漿孔，注入水溶性聚氨酯灌漿堵水高分子材料，滲水孔洞、缺損處位置適當開鑿，填充遇水凝固的堵漏劑（“立止水堵漏劑”等相關(guān)堵漏材料），最后在滲水表面噴涂高效防水涂料。

結(jié)語：

秦山隧道全線加固自2016年8月開始，歷時2.5個月，經(jīng)過業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工單位密切配合，順利實現(xiàn)整治項目目標和通車。本次整治后全線檢測，隧道達到了公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范中總體技術(shù)狀況1類標準，確保了隧道安全穩(wěn)定運行。