衬砌裂损类型主要有变形、移动和开裂,衬砌开裂又分为张裂、压溃和错台。隧道衬砌裂缝产生原因具有复杂性和多样性,包括地质条件、设计因素和施工质量等方面。应该明确的是,已裂损的衬砌仍然具有相当高的承载能力,可以充分利用,多数情况下采取加固手段就可以达到稳定的效果。只有在没有加固可能的条件下或经济上不合理的情形下,或根据长远技术改造的规划要求才考虑更换衬砌。当前国内外隧道裂缝的治理技术,主要有拆除重建法、锚固注浆法、挂网喷浆法、套衬补强法、骑缝注浆法、凿槽嵌补法、直接涂抹法等。
针对施工缝等受到温度应力等较小应力作用导致开裂的普通干裂缝,整治方法主要可采用注胶粘合法进行维修,注胶材料一般选择环氧类材料;针对较小的裂纹,采用注浆或注环氧树脂进行嵌补;针对严重的交叉衬砌裂纹,采用套衬整治技术;针对由围岩压力引起的衬砌混凝土纵向张拉裂缝这种受力型干裂缝,可采用“裂缝修补+自进式注浆锚杆+粘贴碳纤维布”综合处理措施。衬砌的各项加固措施介绍如下:
(1)衬砌背后压浆加固。这种压浆和围岩固结压浆的目的不同,它主要是针对衬砌的外鼓、侧移而用。压浆可以增加对衬砌的约束作用,提高衬砌的刚度和稳定性。压浆一般为局部压浆,主要用在外鼓变形的部位。
(2)嵌补。对于不严重且已呈稳定的裂缝,可以进行嵌补处理。先将裂缝修凿剔深,然后在缝口用水泥砂浆、环氧树脂砂浆或环氧混凝土等材料进行嵌补。
(3)套拱。如图14-4-6所示,套拱加固衬砌适用于拱顶净空有富余的情况。套拱时应将拱脚与原衬砌边墙顺接。故原衬砌拱脚至拱腰处的内表面要局部凿除(或爆破)相应厚度(图中阴影部分)。套拱与原衬砌间用φ16~18 mm钢筋钎钉锚接,钎钉埋入原拱20 cm左右,作为钢筋的生根处。套拱中的主筋也可用钢格栅来代替,格栅的榀间距为50~80 cm,榀与榀之间用φ22 mm的纵向钢筋连接,然后用C20的混凝土灌注,其厚度为20~30 cm。套拱拆模后要进行压浆,以充填其背后的空隙,使新旧拱圈联成整体。
(4)嵌钢拱架。如图14-4-7所示,在拱顶净空无富余的情况下,可以考虑采用嵌钢拱架方法。在原衬砌上按一定间距(小于1 m)环向凿槽,嵌入钢拱架(多为工字钢),然后灌注混凝土,成为一环形钢筋混凝土结构物,以加固原有拱圈。有时为了增加其稳定性,可沿原拱纵向凿槽,用钢筋把相邻钢拱架焊成整体后再灌注混凝土,最后也要进行压浆。由于混凝土的凿除量大,且土破坏了原拱的完整性,故采用此法时要慎重。此外,严重破损碎裂的衬砌不能采用此法。
图14-4-6 套拱施作示意图(www.xing528.com)
图14-4-7 嵌钢拱架加固
(5)全拱更换。当拱部衬砌严重破损,用其他方法已难以保证结构的稳定或者衬砌严重侵入限界,采用其他整治措施有困难时,才考虑更换全拱。
(6)增设仰拱或水平支撑。仰拱的设置可以显著地改善衬砌结构的受力状态,当铺底上鼓、节段下沉时可增设仰拱。若原有仰拱已经破裂,说明其强度不足,可更换为钢筋混凝土仰拱。此外,一旦增置了仰拱,对于边墙或拱圈的裂缝均有抑制作用。若仅有墙脚内移而无下沉,为了减少工作量,也可考虑设置水平混凝土支撑。支撑一般截面为40 cm×40 cm,两端适当放大,间距1.5~2.0 m,在公路隧道中设在路面以下,在铁路隧道中以轨枕不压支撑为准。
(7)锚喷加固。用锚喷加固取代灌注混凝土加固是行之有效的好方法,它具有施工简单、加固效果显著的优点,经大力推广,已成为病害整治的常用方法。既可将二者分开单独使用,也可锚喷联合加固,还可加入钢筋网,成为网锚喷联合加固,如图14-4-8所示。锚杆加固一般在原拱部衬砌上设置预应力加固锚杆,锚杆应锚入围岩稳定层中,可沿内缘张裂缝的两边布置,以作局部加固,也可全断面布置加固。如还采用了衬砌背后压浆,则锚杆的设置应在压浆后两星期进行。喷射混凝土加固时将原衬砌裂损部位凿毛、清洗,然后喷上一层8~12 cm厚的混凝土。为了防止收缩裂缝,提高喷层的抗冲切能力,可以在喷层中设置钢筋网,也可以采用钢纤维喷射混凝土。将锚杆加固与喷射混凝土(包括加网与不加网)加固联合应用于裂损衬砌的加固中,可以使锚杆、喷层、钢筋网三者互相发挥各自的优点,加固效果更好,加固后衬砌的承载能力甚至可以较原衬砌没裂损之前还要提高。
图14-4-8 锚喷加固示意图
l—锚杆;2—直径6 mm钢筋;3—直径10 mm钢筋;
4—C20喷射混凝土。
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