鹫峰山一号隧道衬砌环向施工缝破损防治技术.pdf

第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.20232001 建 筑 技 术 Architecture Technology6 结束语钢板剪力墙的安装受风载、焊接温度变化的影较大；通过设置定位拉杆来解决安装稳定性问题，比常规的斜拉钢丝绳方法更稳定，且能为限制焊接变形提供稳定可测的预拉力；根据纵向残余应力估算公式计算得到了本工程钢板剪力墙纵向焊接残余应力，并通过采取优化焊接顺序及工艺、增加稳定肋、对拉杆系统施加预拉力等措施，最大限度地减小了焊接变形、降低了焊接残余应力。希望本文总结出的控制措施，鹫峰山一号隧道衬砌环向施工缝破损防治技术任昌真，吕敬钱，牟联松（中铁隧道局集团有限公司，511458，广州）摘要：衢宁铁路（福建段）鹫峰山一号隧道为单洞单线特长隧道，受斜井选址条件影响，洞内独头掘进距离长，运输组织难度大，施工任务重，工期紧。为了减少隧道衬砌环向施工缝破损，确保隧道衬砌施工质量，分别从衬砌台车挤压、环向止水带切割混凝土、施工冷缝、止水带背后脱空等方面，对衬砌环向施工缝破损产生原因进行深入分析，通过采取台车端头软搭接、钢端模固定止水带、运用先进的混凝土浇筑工 艺、施工缝V形槽等措施，有效预防了衬砌环向施工缝破损。根据施工缝环向裂缝位置、大小、有无渗漏水情况，采取相应整治方案，提出优化设计的合理化建议。关键词：隧道衬砌；环向施工缝；施工缝破损防治中图分类号：U 455.91 文献标志码：B 文章编号：1000-4726(2023)16-2001-05PREVENTION AND CONTROL TECHNOLOGY FOR DAMAGE OF LINING CIRCUMFERENTIAL CONSTRUCTION JOINT OF JIUFENGSHAN NO.1 TUNNELREN Chang-zhen,LYU Jing-qian,MOU Lian-song(China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,511458,Guangzhou,China)Abstract:Jiufengshan No.1 tunnel of Quzhou-Ningde Railway(Fujian section)is a single tunnel,single track and extra long tunnel.Affected by the site selection conditions of inclined shaft,the single head excavation distance in the tunnel is long,the transportation organization is difficult,the construction task is heavy,and the construction period is tight.In order to reduce the damage of tunnel lining circumferential construction joint and ensure the construction quality of tunnel lining,this paper deeply analyzed the causes of the damage of lining circumferential construction joint from the aspects of lining trolley extrusion,waterstop cutting concrete,circumferential cold joint,waterstop void,and so on.The damage of lining circumferential construction joint was effectively prevented by taking measures such as soft lap at trolley end,fixing waterstop belt with steel end formwork,using advanced concrete pouring technology and V-shaped groove of construction joint.According to the location and size of circumferential cracks of construction joint and whether there is water leakage,corresponding treatment schemes are adopted,and reasonable suggestions for optimal design are put forward.Keywords:tunnel lining;circumferential construction joint;construction joint damage prevention中国高铁是“一张靓丽的名片”，在国家“十四五”期间仍然是国家投资发展的重点。线性要求使得大量新建铁路将无法避免地穿越极端复杂的地质条件。众所周知，在高山峡谷地形地貌环境下，地质复杂，灾害隐蔽性强，常面临长距离独头掘进，洞内施工干扰收稿日期：20230707作者简介：任昌真（1981），男，河南商丘人，高级工程师，e-mail:.能为类似钢板剪力墙的施工提供经验。参考文献1 宋天国.焊接残余应力的产生与消除 M.北京:中国石化出版社,2005.2 MASUBUCHI K,MARTIN D C.Investigation of residual stresses in steel weldmentsJ.Investigation of Residual Stresses in Steel Weldments.3 WU X R,CARLSSON J.Welding residual stress intensity factors for halfelliptical surface cracks in thin and thick platesJ.Engineering Fracture Mechanics,1984,19(3):407426.4 黄永辉,王荣辉,傅继阳,等.平板焊接接头纵向残余应力修正估算公式 J.工程力学,2014,31(6):218225.建 筑 技 术第 54 卷第 16 期2002大、任务重、工期紧，易发生质量缺陷问题，影响运营安全。运营期间常见隧道衬砌质量缺陷有施工冷缝、施工缝破损、衬砌本体开裂、欠厚、脱空、渗漏水等1。施工缝破损又称月牙形裂纹、C 形裂缝，受高速列车活塞压差反复作用，极易引发混凝土掉块，造成极大安全隐患。其中施工缝问题一直是学者们研究的重点。王海亮2认为施工缝是隧道衬砌受压及防排水的薄弱部位，是隧道衬砌工程质量的关键控制点；张民庆等3针对隧道施工缝 3 个质量缺陷类型，开展了新技术、新产品研究；苏辉等4认为高速铁路隧道工程病害常出现在施工缝处，并以贵南高铁上寨二号隧道为依托，开展了隧道环向施工缝预留弧形倒角施工技术研究；黎庶等5认为隧道衬砌环向施工缝混凝土掉块主要是衬砌台车的刚性挤压造成的；贺超6指出隧道出现裂缝和渗漏水等现象，严重危害了隧道的稳定性和安全性，开展了病害整治技术研究。通过对所参建的贵广高速铁路、合福高速铁路、杭黄高速铁路工程质量缺陷的梳理与分析，发现病害多集中于隧道衬砌施工缝区域，类型有：衬砌施工缝裂纹与掉块、环向中埋式橡胶止水带外露、衬砌端头拱顶空洞、渗漏水等。因此，开展铁路隧道衬砌施工缝破损质量研究意义重大，能有效促进铁路隧道质量管理水平提升。本文以衢宁铁路（福建段）鹫峰山一号隧道施工为例，对如何提升隧道衬砌施工质量、减少衬砌缺陷、科学整治缺陷进行探究，通过工艺工装的改进及管理手段的提升，取得了良好的效果，供类似工程参考及借鉴。1 项目概况新建衢宁德铁路（福建段）始于建瓯市水源乡田源村郭宅，止于宁德市屏南县大碑村，设计时速为160 km/h，线路长度 28.881 km。其中鹫峰山一号隧道全长 16.646 km，为级高风险隧道，是全线重点控制工程，、级围岩占 94%，采用 C30 混凝土、C 35 钢筋混凝土复合式衬砌；隧道设置横洞 1 处、斜井 2 处，长度分别为 315 m、2 622 m、2 028 m，综合坡度分别为 5.35%、9.47%、8.36%，采用双车道无轨运输方式，隧道进出口及辅助坑道设置示意如图 1所示。衢州宁德横洞，长度 315 m，综合坡度5.35%桃源斜井，长度 2 622 m，综合坡度 9.47%娜洋斜井，长度 2 028 m，综合坡度 8.36%16 646.16 m2 758.76 m1 481.3 m 5 088.6 m 2 044.4 m 2 275.2 m1 631.4 m1 366.5 m进口 DK 284+561.84DK 285+050DK 287+320.6出口 DK 301+208DK 298+932.8DK 297+301.4DK 296+460DK 295+257DK 290+168.4DK 289+380DK 288+687.1图 1 鹫峰山一号隧道进出口及辅助坑道设置示意鹫峰山一号隧道穿越 13 条断裂带、13 条节理密集带、2 处接触带，断裂带带内围岩胶结较差，导水性及富水性好，极易引起塌方、掉块、突水、涌泥等地质灾害，隧道地质纵剖面示意如图 2 所示。随着工程的快速推进，隧道工程质量管理成为工程履约的重点，为了及时发现隧道衬砌缺陷，消除铁路隧道运营隐患，采用表面观察、敲击检查、雷达检测等方式，对已施工的衬砌进行实体检测，每个工作面选取早期施工的 200 m 衬砌作为样本，经过梳理、分类，各工作面缺陷类型及数量统计见表 1。根据表 1 的统计结果可以发现，施工缝破损数量达到了 192 个，约占问题总数（277 个）的 70%。可见，施工缝质量的控制，已成为隧道工程质量控制的重中之重。2 衬砌施工缝破损原因分析通过查看施工现场、询问相关人员、查阅施工记录，结合工艺工装配置，衬砌施工缝破损的原因主要进口 DK 284+561.84衢州宁德出口 DK 301+20853c53c53d53c53d53d53d53d53d53d53d53cJ3nJ3nJ3nJ3nJ3nJ3n黑云母花岗岩晶屑凝灰熔岩细粒花岗岩断裂带节理密集带岩性分界线F1 F2F3F5F6F7F8F10F91 F92 F93F11图 2 鹫峰山一号隧道地质纵剖面示意 2023 年 8 月2003任昌真，等：鹫峰山一号隧道衬砌环向施工缝破损防治技术 表 1 各工作面缺陷类型及数量统计 个隧道欠厚脱空防水板切割衬砌施工冷缝渗漏水衬砌裂缝施工缝破损其他小计横洞进口方向212011226145横洞出口方向19021236253桃源进口方向18000027137桃源出口方向15111122335娜洋进口方向03000031135娜洋出口方向05111026135隧道 出口17120124137合计649374619210277有：衬砌台车挤压、环向止水带切割混凝土、施工冷缝及止水带背后脱空等。2.1 施工缝处衬砌台车挤压受衬砌台车挤压是隧道施工缝破损的主要原因，具体如下。（1）在加工、拼装过程中，受加工设备及拼装工艺的限制，衬砌台车两端弧形面板会存在相对的差异，无法完全耦合。（2）衬砌台车反复行走及定位，两端面板会发生不同程度的变形。（3）衬砌台车一端面板浇筑成型的混凝土结构面，与另一端面板存在线性差异，致使衬砌台车面板端部与衬砌表面搭接处密贴性差，当衬砌台车面板顶紧上一组衬砌端头时，因混凝土表面受力不均，衬砌端头产生裂缝或肉眼无法识别的隐形裂纹。另外，在隧道运营过程中，在高速列车形成的活塞压差作用下，裂缝会逐渐显现或扩大，与施工缝连成闭合裂缝，形成孤岛，即 C 形裂缝。2.2 施工缝处环向止水带切割混凝土受工艺特点、施工组织影响，衬砌混凝土需分段、分层浇筑，施工缝通常采用背贴式止水带、遇水膨胀止水带条、中埋式止水带的单一或复合防水方式7。但在工程实体中，止水带的空间位置及状态与设计图纸相差甚远，造成一系列施工缝病害，并且以环向中埋式橡胶止水带较为突出。一旦止水带发生扭曲、褶皱、反扣等现象，就会将衬砌端头混凝土切割成薄厚不均的两部分，在温度应力、挤压应力的作用下，较薄部分会开裂、脱落。2.3 施工冷缝施工冷缝是指在混凝土浇筑过程中，管理缺陷或不可预见因素导致混凝土浇筑中断，且中断时间超过了混凝土的初凝时间，在混凝土结构中形成的一种不规则的薄弱面。在温度应力及高速列车活塞压差的作用下，环形冷缝逐渐显现为裂缝，甚至延伸，与施工缝形成闭合裂缝。2.4 施工缝处止水带背后脱空从运营隧道施工缝病害分析，造成施工缝处止水带背后脱空的原因如下。（1）混凝土施工配合比控制不严，水灰比过大或过小，造成混凝土离析或和易性差，混凝土无法充填到止水带背后。（2）混凝土浇筑时，未设专人负责止水带附近混凝土的振捣和排气，混凝土直接冲击止水带，造成止水带翻转、跑位，止水带背后形成气囊。（3）受混凝土浇筑工艺及重力作用影响，上坡方向拱部混凝土难以灌注饱满，下坡方向施工缝搭接段极易形成气囊。（4）混凝土在浇筑过程中振捣不密实，内部存在气孔、孔洞，混凝土浇筑完成后，在自重作用下气泡上升、混凝土下沉，造成止水带脱空。（5）施工缝端头模板拼接不密实，浇筑完成后从接缝处漏浆、跑浆，使端头拱顶混凝土下落，形成空洞。当衬砌整体结构荷载受力时，必将引起衬砌施工缝处混凝土开裂。3 衬砌施工缝破损预防鉴于以上施工缝破损原因分析，笔者从工艺工装、管理手段方面进行总结，提出改进和提升方案，减少施工缝破损，提升施工质量。3.1 台车端头软搭接设计可以在衬砌台车与上一板混凝土的搭接部位设置压缩橡胶垫片，垫片宽度 10 cm、厚度 4 cm，压缩量为 50%，承插式联结，如图 3 所示。衬砌台车就位，将托盘定位至施工缝处，通过控制液压油缸将台车面板顶向上一板混凝土面。当橡胶垫片接触混凝土面后，继续利用油缸进行加压，通过侧面观察，当橡胶垫片被压缩至 2 cm 时停止加压，此时台车面板通过可压缩橡胶垫的压缩，可保证衬砌台车面板与上一板二次衬砌混凝面密贴，从而既不会压溃衬砌混凝土，也不会漏浆，又可有效预防衬砌错台。实施过程关键点：一是托盘宽度应稍宽于橡胶垫片，预留橡胶垫片压缩后的横向膨胀空间；二是液压油缸设置必要的限位装置，防止橡胶垫片过度压缩，建 筑 技 术第 54 卷第 16 期2004已浇混凝土待浇混凝土中埋止水带1042托盘模板台车可压缩橡胶垫片（a）（b）图 3 衬砌台车施工缝软性搭接示意及效果图（cm）（a）示意图；（b）效果图压溃上一板衬砌端头混凝土。3.2 钢端模固定止水带设计衬砌台车钢端模由节长 100 cm 钢模板、调节木板及加固用钢支撑、丝杆、销钉、钢管、耳环组成。衬砌台车端头处，沿台车轮廓设置 1/2 衬砌厚度钢模板作为夹具，固定环向中埋式橡胶止水带，确保止水带圆顺、居中、稳固。由于实际开挖轮廓与设计轮廓存在偏差，另外 1/2 衬砌厚度按间隙大小，采用调节木板塞紧，再用钢管、耳环、木楔子加固调节木板，确保衬砌端头模板密封严实。待衬砌混凝土浇筑完毕、强度达到拆模要求后，先松动固定钢管、拆除调节木板，然后松动丝杆翻转钢模板，避免触碰下一组衬砌钢筋。实践证明，衬砌台车采用钢端模，确保了环向中埋式橡胶止水带位置准确、线型圆顺，并且安装方便。3.3 自动化带压分仓入模系统应用为了解决隧道衬砌混凝土冷缝、“人”字坡、不密实等问题，施工单位积极实施隧道衬砌分层逐窗浇筑混凝土施工工艺8。但由于台车作业空间有限，采用传统的料斗和滑槽，无法实现真正意义上的分层逐窗浇筑。基于此，提出衬砌台车自动化带压分仓入模系统，该系统由自动控制系统、带压混凝土分配系统、相应的管路系统三大部分构成。带压混凝土分配系统由进料主管、混凝土加压系统、出料分管 3 个部分构成。进料主管通过泵管与输送泵连接，将混凝土送入混凝土加压系统，使混凝土在出料分管管口形成足够的压力，确保混凝土均匀地分布在每一浇筑层、每一浇筑窗口。混凝土浇筑时，左右两侧混凝土高差宜控制在80 cm 以内，采用插入式振动器配合附着式振动器对混凝土进行振捣。3.4 分布式密实度传感器主动监控系统应用秦岭9在施工过程中利用液位继电器原理，实现拱顶混凝土填充液面监控；谭文10着重研究了用于防治隧道衬砌脱空的智能监测技术，这些监测技术各有特点、各有优势、各有不足。本文着重介绍分布式密实度传感器主动监控系统，系统由分布式密实度传感器、信号传输光缆、显传终端 3 个部分构成。分布式密实度传感器为 10 cm 宽的橡胶条，每80 cm 装 1 个压密式传感器。在易于出现空洞、薄弱环节安装分布式压密传感器，如拱顶、施工缝等，安装于防水板后面。在监测过程中，混凝土未浇筑密实前，传感器未受到压力，指示灯为红色；浇筑密实后传感器受到压力，指示灯变为绿色。3.5 施工缝 V 形槽混凝土温度应力、收缩导致的裂缝一般在混凝土浇筑后 10 天左右发生1，在衬砌混凝土浇筑完成且达到强度设计值后，应对环向施工缝切 V 形槽，来减缓混凝土温度应力、收缩导致的裂缝。实施细则如下：衬砌混凝土脱模 35 d，进行 V形槽切缝，V 形槽宽 4 cm，角度为 30 45，切槽前清除衬砌环向施工缝处浮浆夹层及不稳定块，采用软钢尺或弹线方法控制切缝范围，切缝结束后对边缘进行打磨处理，确保线形圆顺、美观，无棱角、无掉块。V 形槽可有效减少环向施工缝不规则裂缝，防止施工缝处混凝土毛刺毛边及局部不稳定块掉落。4 鹫峰山一号隧道衬砌施工缝破损整治方法及效果鹫峰山一号隧道于 2019 年 3 月 23 日完成衬砌施工，4 月完成全隧无损检测，针对发现的衬砌质量问题进行整治修复。在整治实施过程中，根据施工缝环向裂缝位置、大小、有无渗漏水情况，采用了直接凿除法、直接涂抹法、钻孔注浆法、局部模筑法等方法。2020 年 6 月 15 日完成缺陷整治，经工务段检查 2023 年 8 月2005任昌真，等：鹫峰山一号隧道衬砌环向施工缝破损防治技术确认，符合通车运营要求；9 月 27 日正式通车，开通运营以来，未发生衬砌环向施工缝破损、渗水以及混凝土掉块现象，整治效果良好，满足铁路运营安全要求。4.1 直接凿除法当裂缝与施工缝的宽度小于 15 cm 时，凿除施工缝夹块、边角破损部分，边缘应修整平齐、打磨圆顺，凿除、打磨后涂抹水泥基渗透材料，无须嵌缝处理。施工缝破损及裂缝清除时，需要将裂损部位全部清除干净，中埋式橡胶止水带外衬砌厚度小于 7 cm的混凝土也必须清除，并用电钻探查止水带背后混凝土是否松动，如有松动，也需要清除。4.2 直接涂抹法当裂缝宽度小于 0.5 mm 时，裂缝无明显的错动以及无渗漏等现象发生，不影响结构安全和正常使用，可采用直接涂抹法封缝。采用刷丝长度不小于10 cm、刷丝直径 13 mm 的长毛钢丝刷，清除裂缝表面的灰尘、浮渣等杂物，然后用压缩空气将裂缝内的灰尘吹出，保持裂缝清洁、干燥。同时，用低粘度环氧树脂、高聚物乳液等配置收缩小、强度高、韧性好的修补胶，再用毛刷将修补胶均匀涂抹在裂缝表面，静置 24 h 即可完成封缝工作。封缝外观与混凝土表面无较大色差，封缝料嵌缝密实无剥离，经长时间观测，无重新开裂现象，对局部渗水也有很好的封堵效果。4.3 钻孔注浆法当裂缝宽度小于0.5 mm时，裂缝无明显的错动，但有渗漏现象发生，需采用钻孔注环氧树脂法，其施工工艺流程如下。首先，清除裂缝松动混凝土块，刷洗裂缝两侧各5 cm宽范围内衬砌表面，刮涂J1快干型封缝胶两道。其 次，在 裂 缝 两 侧 间 隔 2030 cm 交 叉 钻孔，钻孔应斜穿裂缝，垂直深度宜为衬砌厚度的1/3 1/2，沿裂缝走向设置灌浆嘴。然后，从低处往高处顺序注入环氧树脂，待环氧树脂固化后，拆除灌注嘴并清理表面封缝胶。最后，沿裂缝走向两侧各 20 cm 范围内，涂布水泥基结晶型防水涂料 2 遍，用量不应小于 1.5 kg/m2，涂抹厚度不应小于 2.0 mm。4.4 局部模筑法当裂缝宽度大于 0.5 mm 且与施工缝的距离大于15 cm 时，如果裂缝位于拱部 140 范围，凿除拱部140 范围长度不小于 50 cm 的衬砌混凝土，再进行植筋，重筑混凝土。如果裂缝位于边墙，凿除缝宽环线范围长度不小于 50 cm 的衬砌，再进行植筋，重筑混凝土11。凿除混凝土应凿成倒梯形，即缺口应内宽外窄，边缘应修整平齐、圆顺，不得留有尖角。植入钢筋的直径、间距均不得低于原设计要求，采用 A 级锚固剂锚固。采用微膨胀混凝土灌注，并预留注浆管道，达到强度设计值后回填注浆。重新模筑后，混凝土表面平整，无钢筋外露；新浇筑混凝土与原混凝土间衔接良好，无明显错台；经敲击、回弹和雷达无损检测，混凝土厚度、强度符合设计要求，混凝土灌注密实无空洞，后期经长时间静态观测，混凝土表面无裂缝及渗水等情况。5 结束语衢宁铁路（福建段）鹫峰山一号隧道施工期间，针对衬砌环向施工缝开裂、掉块，从工装设备、施工工艺、现场管理等多个角度，分析、归纳衬砌环向施工缝质量缺陷产生的原因，通过工艺工装的改进及管理手段的提升，有效预防了衬砌环向施工缝开裂、掉块，减少了隧道衬砌返工、整治费用，确保了隧道施工质量及铁路运营安全，为以后类似隧道工程施工管理提供宝贵经验。同时，隧道衬砌施工缝中埋式橡胶止水带空间位置，受长期隧道风动效应和振动影响，止水带与衬砌接触面的位置环向贯通裂缝，建议设计加强背贴式止水带，不设中埋式止水带。参考文献1 中铁二院工程集团有限责任公司.铁路隧道运营阶段缺陷整治设计措施指导意见 Z.2020.2 王海亮.隧道衬砌施工缝质量缺陷分析及预控措施 J.铁道建筑技术,2018(5):9296.3 张民庆,贾大鹏,辛维克,等.铁路隧道衬砌施工缝质量控制新技术 J.铁道工程学报,2021,38(3):5964.4 苏辉,申雪松.高速铁路隧道二衬环向施工缝预留弧形倒角施工技术研究 J.工程技术研究,2020,5(20):8485.5 黎庶,管德鹏.单线铁路隧道衬砌台车软性搭接改造施工技术 J.现代隧道技术,2018,55(6):217221.6 贺超.隧道衬砌裂缝及渗漏水病害整治技术研究 J.工程技术研究,2019,4(14):8889.7 高速铁路隧道工程施工技术规程:Q/CR 96042015S.8 赵继平.隧道衬砌分层逐窗浇筑混凝土施工工艺 J.西部探矿工程,2018,30(4):193194,188.9 秦岭.隧道衬砌混凝土拱顶防空洞监测器应用技术 Z.2020.10 谭文.隧道衬砌防脱空预警监控新技术研究与应用 J.现代隧道技术,2020,57(3):199203.11 中铁第四勘察设计院集团有限公司.隧道缺陷整治设计参考图Z.2018.