增设套衬在凌子口隧道病害处治工程中的研究与应用

增设套衬在凌子口隧道病害处治工程中的研究与应用

许绍勇

昭通公路局云南昭通657000

摘要：以凌子口隧道病害处治为实例，阐述增设套衬在日渐发展的隧道病害处治工程中与传统病害处治方式的对比，分析增设套衬对老旧隧道病害处治的优势。增设套衬，对隧道病害可以达到“一次整治、长久无忧、安全环保”。

关键词：套衬；病害处治；渗漏水；衬砌开裂；混凝土老化

1概述

随着我国经济的蓬勃发展，基础设施建设不断投入，公路建设里程逐年增多，所修建的隧道也越来越多，但由于地质、设计、施工等各方面的原因，导致一些隧道出现衬砌开裂、结构变形、局部掉块、渗漏水等病害，严重威胁到整个公路运营的安全，必须进行处治。传统处理隧道病害的方式都是分散进行，不够系统，对病害的处治不彻底。而在满足净空条件的情况下，增设套衬可以实现“一次整治、长久无忧、安全环保”，对衬砌开裂、结构变形、局部掉块、渗漏水等病害处治效果非常明显。本文以凌子口隧道病害处治工程为例，详细阐述增设套衬在老旧隧道病害处治工程中的应用效果。

2工程概况

凌子口隧道2000年建成通车，单洞全长910米，隧道穿过的围岩为块石砌石结构，节理裂隙较发育，地下水较丰富，特别是雨季受地表影响较大，2000年通车后至今已有15年，隧道出现的主要病害有衬砌常年漏水，二衬局部开裂及掉块、路面部分损坏、通风效果不好，烟雾浓度较大，照明效果不好，对行车存在安全隐患问题。具体病害如下：

（1）衬砌裂纹分布状态：

隧道边墙、拱腰及拱顶均出现环向、纵向及纵斜向裂纹，环向裂纹一般在施工缝附近。

（2）渗漏水情况：

隧道渗漏水主要是基岩岩溶水和裂隙水，部分段落围岩富含水较丰富；局部有少量裂隙水。隧道绝大多数环向施工缝，均有漏水痕迹。拱顶、拱腰、侧墙部有较多地段出现渗水，表面潮湿，严重地段有滴水。据管理养护人员反映，渗漏水情况在雨季尤为突出。各种现象表明，隧道防排水系统已基本遭到破坏，已无防水能力，严重的渗漏水点多达上百处。总体看来，隧道拱部大多数路段均已经达不到规范要求的二级防水标准要求。

（3）由于渗漏水的影响，拱部的防火涂料及衬砌已出现多处脱空、剥离，存在剥落的可能性很大，严重影响了过往车辆及行人的安全。此外，渗漏水严重处，侧墙瓷砖表面也多是污浊不堪，难以清洗，极大地影响了照明效果。

（4）在渗漏水位置，部分衬砌已出现大量病害，局部出现掉块现象，如不及时处理将影响过往车辆及行人的安全。

（5）隧道进、出洞口表面瓷砖及水磨石装饰等风化、破损、剥落严重；且洞门表面局部出现渗水印迹。

（6）隧道内行车道边缘电缆沟沟帮由于车辆冲撞破损严重，部分盖板损坏；且由于沟帮较矮导致车轮常冲至沟顶，进而冲撞二次衬砌，对隧道主体结构造成严重安全隐患。

（7）由于渗漏水的影响及碳化作用，拱部衬砌及防火涂料已出现多处脱空、剥离，存在剥落的可能性很大，严重影响了过往车辆及行人的安全。

3病害成因分析

3.1衬砌开裂及变形

（1）隧道穿越的岩层主要为块石砌石结构。块石砌石结构等较软弱的岩层存在变形时间效应，将增大衬砌结构承受的荷载，且路面底部的软弱岩层使得隧道路面及边墙基础不牢固，衬砌结构容易因下沉而产生裂缝、变形。

（2）部分段落存在施工质量缺陷如二次衬砌混凝土厚度不足、衬砌背后脱空、超挖回填不密实、拆模过早等也是导致二次衬砌混凝土开裂、变形的原因。

（3）隧道衬砌裂缝多出现于受力较薄弱的施工缝、冷缝处。

（4）衬砌混凝土由于受温度、收缩、膨胀等因素而引起的变形、开裂。

（5）地下水的动静压作用、地下水作用于隧道体周围的软弱破碎岩层，导致衬砌周围出现空洞等约束不均匀，都有可能造成衬砌变形、开裂。

（6）营运时，汽车、人群荷载长期作用等对衬砌强度影响，如果养护工作不及时跟上，或病害整治效果差，也将会加剧或产生衬砌的裂损及变形。

（7）混凝土碳化作用会降低混凝土中的碱储备，使混凝土碱性降低，钢筋表面的的钝化膜由稳定转为不稳定并最终破坏；碳化也会使得空气与钢筋反应，腐蚀钢筋减弱钢筋与混凝土之间的握裹力，降低衬砌的承载能力，由于钢筋锈蚀产物的体积膨胀，使得混凝土开裂。

3.2隧道渗漏水

（1）防水层施工质量不佳，导致地下水沿防水层缝隙渗流。

（2）初期支护表面及锚杆露头等没有处理到位出现点状渗漏水。

（3）施工原因造成的衬砌混凝土缺陷，如拌和不均、有杂物、骨料污染、接缝处理不当、施工方法不当、拆模过早而开裂等。

（4）防水层在施工期间受到损伤以及在营运期间的逐年劣化导致防水效果减弱，某些隧道防水层甚至已经失效，导致渗漏水穿越防水层渗入到隧道中形成线状或面形渗漏。

（5）个别泄水孔堵塞，造成衬砌背后地下水位上升出现线状或面形渗漏水。

（6）隧道建成后，围岩压力重新调整，围岩中水的径流发生演变，在局部地段形成高水压，而衬砌结构由于设计抗渗等级、材质劣化等原因其防水功能较弱或失效，导致渗流水通过混凝土中渗水通道，并在衬砌背后高压水地段形成面形渗漏水。

（7）衬砌裂损。

（8）地下水对衬砌混凝土的化学腐蚀。

（9）长期碳化会改变混凝土的微观结构，由于碳化前后混凝土的成分发生了变化，物理形貌的不同和体积的变化而且受到很多其他坏境作用，这就使得混凝土内部的孔隙结构变大趋向于更加连通，抗渗性能低进而导致隧道渗漏。

3.3衬砌混凝土病害

衬砌混凝土强度下降、腐蚀、疏松、表面脱落或掉块等病害，降低了结构的耐久性，会诱发其它类型的病害（如涂层剥落、衬砌开裂等），直接缩短隧道的使用寿命。引起衬砌混凝土病害的原因有：

（1）衬砌混凝土受侵蚀性环境介质如各种酸、碱、盐以及大气中各种有害气体与混凝土中某些组分通过化学反应而产生的化学反应侵蚀。主要包括溶出性（或软水）侵蚀，分解性（或酸型）侵蚀，盐类（硫酸盐、析盐、苛性碱、碱溶液）侵蚀，油类侵蚀和生物侵蚀破坏等。

（2）由于配制混凝土时原材料中含有一定数量的碱或“碱活性”骨料，而发生因反应生成物吸水膨胀导致混凝土开裂的碱骨料反应。

（3）由于碳化作用或氯盐污染而破坏混凝土中钢筋的钝化膜，即去钝化，如果混凝土中具有适当的湿度，钢筋开始锈蚀，进一步发展至混凝土顺筋胀裂、保护层及部分边角脱落。

（4）衬砌混凝土由于受温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素而引起的变形裂缝都会降低混凝土的强度、结构的安全使用和耐久性。

4以往病害处治的应用

4.1衬砌开裂及变形处治

根据裂缝的不同形态，一般将裂缝的处治分成表面封闭法（缝宽小于0.5mm）和压力注浆法（缝宽大于0.5mm）。

（1）表面封闭处治

对于缝宽δ＜0.5mm的较小裂缝采用水泥基渗透结晶型防水材料表面封闭处治，对其应加强日常观测，如果环向小裂缝有进一步发展的趋势，则应采取进一步措施。

（2）压力注浆处治

对于缝宽δ＞0.5mm的裂缝采用压力灌注法进行处治，采用斜孔衬砌表面打孔注浆，注入改性环氧树脂胶液进行封闭修补。

凌子口隧道基本是每年都会对裂缝进行处治，但是衬砌开裂及变形也会一直发育，年年处治，年年都有新的裂缝，治标不治本。

4.2隧道渗漏水处治

一直以来隧道的衬砌渗漏水治理遵循“疏、排为主，拱部堵，边墙疏、排”的基本原则，力求一次治愈，不留后患。为了有效地进行渗水病害的维修处治，根据渗漏水的位置和其严重程度，一般会分别采用不同的处理方式进行处治。

（1）在隧道边墙渗漏水处，采用边墙钻孔引排水的方法进行处治，对拱部一般渗水较小裂缝采用堵水的方式进行处治。

（2）对渗水较严重的环向和纵向渗水裂缝、变形缝及施工缝，采用渗漏水裂缝部位凿槽埋管引排的方式进行处治。对纵向严重渗水缝，凿槽埋管引排至就近施工缝或变形缝，然后从施工缝处凿槽埋管引排至排水沟内。

（3）对于二次衬砌大面积浸渗区域，采取涂抹渗透结晶型防水材料的办法处理面状渗漏。

一直以来，凌子口隧道的渗漏水处治就遵循以上原则，但是基本上都是年年补漏年年漏，不能彻底根治隧道渗漏水。情况好一点，可以保持一两年，但是一两年后又会有新的渗漏水点。隧道内水泥路面，路面长期湿滑，导致交通事故率一直居高不下，新的处治思路势在必行。

4.3衬砌混凝土病害处治

对于衬砌混凝土病害，一直以来都没有比较彻底、完善的处治方案。衬砌混凝土病害的鉴定也仅仅是当病害转变为明显的表观病害才会引起重视。

比如凌子口隧道，经过长时间运营，加上隧道建设时混凝土搅拌工艺及施工工艺的影响，特别是拱顶混凝土浇筑不密实，厚度不足等原因，导致拱顶多处出现掉块。最严重的一次拱顶掉块出现在2013年2月12日夜间，正直大年初三，拱顶掉落5m2左右的混凝土块。还好是夜间，加上是春节期间，过往车辆较少，没有造成安全事故。事后，经养护单位研究后确定增设四榀[20槽钢拱架，在拱顶掉块处铺设钢丝网片，以防止后期掉块对过往车辆造成安全事故。而对于其他比如局部防火涂料剥落，就没有系统的处治方案。

5增设套衬处治的应用

5.1既有衬砌加固

根据《昭通--麻柳湾汽车专用二级公路凌子口隧道病害检测报告（报告编号：YGJ-SD（2013-02））》，初期支护背后存在脱空现象，并且有积水，对此积水或脱空区域，由于积水将会增大衬砌结构的荷载，同时可能引起隧道渗漏水病害，因此对脱空、积水区域进行低压注浆充填水泥－水玻璃浆的方法进行处理，排除积水，同时加固围岩。

凌子口隧道存在二次衬砌有脱空的段落，二次衬砌脱空不利于衬砌结构受力。根据地质雷达检测结果，脱空处二次衬砌混凝土厚度均接近或大于30cm，因此对于二次衬砌与初期支护间的脱空区域，采取注M30砂浆加固充填的方法进行处治，以改善二次衬砌结构的受力条件，提高结构的安全度。该处理方法在隧道缺陷处治中使用广泛，效果较好。

5.2衬砌结构加固

按照二级公路隧道建设标准，设计车速为40km/h，对全隧增设20cm厚钢筋混凝土套衬。

（1）建筑限界（见图一）

图一隧道处治后建筑限界与内轮廓设计图

（2）防排水处治

按照“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理”的原则进行整治。

①在渗漏水严重地段边墙钻设引排水孔，用Ф50弹簧型软式透水管将排水孔连接至水沟。

②对拱顶或拱腰处比较明显渗水采用凿槽埋管的方式进行引排；对于点状、面状渗水点采用表面封堵或者低压注浆法进行处治。

③凿除原有二次衬砌表面瓷砖装饰、砂浆、防火涂层及表面松散混凝土（凿除时注意不得破坏衬砌混凝土结构），铺设400g/m2土工布，把土工布用射钉、塑料垫片固定在混凝土基面上，要求土工布的中心线与隧道中心线重合，土工布长边搭接宽度不小于150mm，短边搭接宽度不小于100mm，侧墙土工布的铺设位置在施工缝以下250mm，以便搭接，塑料垫片用射钉固定在无纺布上，每隔50cm呈梅花形布设，对于变化断面和转角部位，钉距适当加密。

④用简易作业台车将HDPE高分子预铺反粘型防水卷材固定在预定位置，卷材间搭接缝应与变形缝、施工缝等防水薄弱环节错开1m以上。防水卷材铺设时力求与土工布密贴，不必拉得太紧，防水卷材在与圆垫片进行热合，一般时间达5s即可，防水卷材长短边采用专用爬焊机按照预定的温度、速度焊接进行焊接，单条焊缝的宽度不小于1cm，焊接后两条缝间留一条空气道，用空气检测器检测焊接质量。焊接前先除尽防水卷材表面的灰尘再焊接，防水卷材搭接宽度须大于10cm。防水卷材焊缝焊接时，爬焊机行走速度控制在5～10m/min，无条件用机焊的特殊部位可用人工焊接，但一定要认真检查焊接是否牢固。

⑤每个台车位置中线处安装一根环向Ф50弹簧型软式透水管，纵向间距12m，透水管连接至新建排水沟，水量大处按现场实际情况增设。两侧墙角各增设一条纵向Ф50弹簧型软式透水管，透水管安装高度据边墙脚约20cm，每个台车位采用三通连接至新建排水沟。

⑥增设套衬环向施工设置背贴式橡胶止水带和BW遇水膨胀橡胶止水条双重防水。

（3）模筑套衬

在原二次衬砌混凝土表面增设20cm厚的C40P8钢筋防水混凝土套拱，套拱内设单层环向主筋，环向主筋采用直径为20mm钢筋，纵向连接筋直径为16mm钢筋，环向主筋在拱脚位置须与植入原有衬砌的直径为20mm植筋（植筋深度为40cm）焊接，用以连接套拱和原二次衬砌，使套拱和原二次衬砌成整体受力结构，改善结构受力状态；拱脚位置水平向也需植入钢筋，植入钢筋需与拱脚位置环向钢筋绑扎，形成受力整体。套拱混凝土采用钢模板施工。环向主筋的纵向间距为15cm，纵向主筋的环向间距为15cm，植筋的纵向间距为45cm。

为了保证衬砌质量，混凝土采用整体台车一次性成型浇筑。混凝土应在集中搅拌站生产，输送和浇筑应采用砼搅拌运送车与泵车。浇筑混凝土时，必须两侧对称分层进行，两侧浇筑的高度差不得超过0.5米，为了保证混凝土浇注质量，采用插入式振动棒时进行振捣，另外还需采用风镐对模板进行振动，确保脱模后表面光滑平顺，无蜂窝麻面；封顶混凝土按规范严格操作，尽量从内向端模方向灌注，排除空气，保证拱顶灌注厚度和密实度。

（4）重建隧道水沟电缆槽

拆除既有水沟电缆槽，重新施做，加深电缆槽作为排水边沟。水沟电缆槽每间隔10m设置互通式排水孔，以保证任何一条水沟堵塞不会影响隧道水沟的排水通畅性。

6增设套衬相对以往病害处治的优势

通过对比，增设套衬比以往分散病害处治的方式更加系统、更加彻底的解决了一系列隧道病害问题。凌子口隧道通过此次处治，彻底解决了隧道渗漏水及混凝土掉块等病害问题。通过一系列的改造，路面换成了沥青路面，灯具换成了更加节能更加明亮的LED灯具，瓷砖加上浅色防火涂料，隧道内的行车环境大为改观。

以往的病害处治方式只是针对比较明显表观病害进行显性处治，并不能对隧道日渐发展的病害进行预防处治，而且处治分散，不系统，难以达到理想的处治效果。凌子口隧道在此次处治之前已经多次进行病害处治，但是渗漏水、结构老化、混凝土剥落、路面湿滑等病害一直没有得到有效的解决。

通过此次增设套衬处治后，系统的解决了隧道渗漏水、结构加强、混凝土剥落、路面湿滑等一系列病害。增设20cm厚C40P8钢筋混凝土套衬后，重新施做了防排水系统，隧道防水更加系统完善；20cm后钢筋混凝土对整个隧道的结构加强效果明显，对日渐发展的隧道病害如衬砌开裂及变形、混凝土老化剥落等起到很好的预防处治作用。

结语：

针对凌子口隧道日渐发展的严重病害，全隧采用了增设套衬的施工方案，达到了“一次整治、长久无忧、安全环保”的效果，为以后类似隧道工程留下了宝贵的借鉴经验，为整个公路隧道病害处治产生了良好的经济和社会效益。

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