一种高性能复合灰浆加固既有地铁隧道结构的施工方法与流程

本发明涉及地铁隧道结构的施工工艺，尤其是一种加固既有地铁隧道结构的施工方法。

背景技术：

近年来，随着城市地铁及相关市政工程的大规模建设，盾构隧道在国内的应用越来越多。管片结构强度是盾构隧道工程的重要环节，施工中，针对盾构工程的特点，管片在施工过程中容易出现破损、崩角、大范围崩裂露筋等质量问题，从而会对隧道的后续运营造成较大的安全隐患。

引起隧道管片破损的主要原因是吊装或水平运输过程中磕碰；盾构掘进过程中盾构姿态控制不当；拼装过程中违反操作规程。具体可分为：管片在运输、吊装过程中受挤压、碰撞，缺边掉角；在掘进中盾构姿态控制不当，造成盾尾与管片的间隙过小或者没有间隙，管片出盾尾时被盾壳拉伤，盾构机姿态调整时，千斤顶行程差过大而导致受力不均出现管片损坏；管片拼装质量差，螺栓未拧紧，接缝张开过大，以致推进过程中管片受力不均，造成崩角和破损；千斤顶撑靴顶在管片上不正(盾尾间隙不均匀时)会使管片内侧或外侧的混凝土破损。影响盾构隧道的安全和使用寿命。如果不及时对管片进行修复处理，则会进一步加大破坏，甚至会造成隧道坍塌，危害生命和财产安全。

盾构隧道在运营阶段也会出现隧道管片的破损，其主要原因是在既有地铁隧道邻侧进行建筑施工的活动日益增多，其中以基坑工程等旁侧施工产生的影响最为突出，邻近施工会引起土体位移场变化，从而导致隧道管片的破损，严重时还将引起衬砌开裂甚至结构破坏。其他原因还有：地铁隧道上方为城市道路，日常车行量大，且为该基坑及周边基坑的必经出土路线，重载车辆集中通行，引起隧道附加应力增加，造成管片的开裂破损；隧道基坑降水会导致隧道外部荷载变化较大，引起隧道垂直直径变小，水平向直径变大，造成拱顶管片出现纵向开裂破损。

技术实现要素：

为了克服已有管片加固技术针对性差、加固后的钢管片后期易脱落、加固强度欠缺的不足，本发明提供一种方法步骤简单、设计合理且施工简便、施工效果好、能对破坏管片进行有效修复、周期短且成本低的高性能复合灰浆加固既有地铁隧道结构的施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高性能复合灰浆加固既有地铁隧道结构的施工方法，采用内衬灰浆，所述内衬灰浆包括碳酸钙、硅酸钙、沸石粉、粉煤灰、矿渣微粉、淀粉醚、丙酸钙、对位芳纶纤维、高性能聚乙烯纤维和聚芳酰胺纤维，以碳酸钙为5份，各个组分的质量份数分别为：硅酸钙为4～6份，沸石粉为8～12份，粉煤灰为8～12份，矿渣微粉为12～18份，淀粉醚为12～18份，丙酸钙为8～12份、对位芳纶纤维为8～12份，高性能聚乙烯纤维为8～12份，聚芳酰胺纤维为8～12份；将所述内衬灰浆与水按照1：(0.4～0.6)质量比例充分搅拌后得到的膏状材料为复合灰浆；

所述施工方法包括以下步骤：

1)搭设临时脚手架

结合隧道内部条件及可作业限制，搭设临时脚手架；

2)待修复管片环凿毛及高压水清洗

3)植筋或打膨胀螺丝

根据要求在管片进行植筋或打入膨胀螺栓，植筋或膨胀螺栓用于固定钢筋网格、增加修复结构与原隧道结构的粘结强度；

4)绑扎安装钢筋网

5)涂刷界面剂

6)灰浆喷涂

喷涂过程分两次完成：第一遍喷涂使灰浆全部覆盖钢筋网，并进行人工平整；第二遍喷涂到预定厚度；

7)灰浆养护。

进一步，所述步骤1)中，到达施工区域后，首先卸下门式脚手架，并开始脚手架拼装，拼装完成后，固定好四个轮脚同时加固好斜撑；所用脚手架最大搭设高度为9.6m，层间距不得超过2m，立杆纵向间距不得大于3m。

再进一步，所述步骤2)中，采用高压水凿毛及或机械凿毛机对拟修复管片环进行凿毛，并对凿毛后的表面进行高压水清洗，确保将管片上的污泥、油渍全部清洗干净，直至露出粗糙硬实的表面。

更进一步，所述步骤5)中，所述界面剂是由水泥、填料、聚合物胶粉和相关的外加剂组成的粉状物，使用时按水泥：砂：界面剂为1∶2∶0.5的质量比例混合搅拌均匀，涂甩于待处理表面。

所述内衬灰浆的各个组分的质量份数比为：5份碳酸钙、5份硅酸钙、10份沸石粉、10份粉煤灰、15份矿渣微粉、15份淀粉醚、10份丙酸钙、10份对位芳纶纤维、10份高性能聚乙烯纤维、10份聚芳酰胺纤维。

本发明的有益效果主要表现在：(1)方法步骤简单、设计合理且施工运输简单方便，投入成本较低，实际工程操作实施性强；(2)实际施工过程主要是既有地铁隧道管片加固，通过该方法可以提高隧道的抗变形能力，有效修复破损管片，从而降低隧道发生事故的可能性，保证了行车安全和隧道使用寿命；(3)实用价值高且使用效果好，相比现有的盾构隧道管片加固技术，缩短了施工工期，较大降低了施工成本，既可以加固错缝拼装管片、也可加固通缝拼装管片；(4)内衬灰浆材料具有超高强度、刮沫性好、耐腐蚀性佳、耐磨等优点，制作成的管环加固块少，运输施工方便、安全系数高、应用效能好，寿命长；(5)本发明所制内衬灰浆材料与结构表面紧密粘合，对结构上的缺陷、孔洞、裂缝等具有填充和修复作用，充分发挥了原有结构的强度；(6)对于采用加固技术的隧道管片，无论管片厚度是否超出建筑限界规定均可采用本发明所公开技术；(7)适用面广，能有效适用于所有地铁隧道特别是富水软弱地层等易发生衬砌病害危险地层中隧道保护及加固，保障了隧道结构的安全性。

附图说明

图1是本发明的方法流程框图。

图2是高性能复合灰浆加固隧道结构示意图。

图3是一种植筋原理示意图。

图4是另一种植筋原理示意图

图5是隧道建筑限界示意图。

其中，1为盾构管片；2为植筋；3为φ12@100×200hrb400级螺纹钢；4为灰浆内衬；5为锚孔；6为钢筋；7为粘结剂；8为超出隧道建筑限界规定的部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种高性能复合灰浆加固既有地铁隧道结构的施工方法，钢筋网按φ12@100×200mmhrb400级螺纹钢3规格绑扎。钢筋6网通过膨胀螺丝或植筋2固定到盾构管片1内壁并与底层贴合严密，并在盾构管片1内壁按一定间隔打入膨胀螺丝或植筋2。在钢筋外层涂刷粘结剂7，有利于新老混凝土结构的粘结。喷涂过程分两次完成：第一遍喷涂使灰浆全部覆盖钢筋网，并进行人工平整；待钢筋6包裹层固结后，将植筋2或膨胀螺丝的露头切割掉，然后进行最后保护层的施工。第二遍喷涂到预定厚度，一般使钢筋保护层厚度为25mm左右。采用φ12规格的钢筋网加固，整个加固体厚度控制在50mm以内。钢筋6网片安装完成后，进行喷涂浇筑，厚度与钢筋6网片厚度为基准，使灰浆4层能将钢筋6网片完全包裹住，并进行抹平。若喷涂的灰浆4层厚度超出隧道建筑限界规定，则需要用工具将管片上超过限界的部分8敲掉直至碎石全部露出。

复合灰浆的主要成分为一种高性能的内衬灰浆。本发明所制灰浆为基于石英砂改性水泥及其它特殊添加剂配制的灰浆，内衬灰浆包括碳酸钙、硅酸钙、沸石粉、粉煤灰、矿渣微粉、淀粉醚、丙酸钙、对位芳纶纤维、高性能聚乙烯纤维和聚芳酰胺纤维，以碳酸钙为5份，各个组分的质量份数分别为：硅酸钙为4～6份，沸石粉为8～12份，粉煤灰为8～12份，矿渣微粉为12～18份，淀粉醚为12～18份，丙酸钙为8～12份、对位芳纶纤维为8～12份，高性能聚乙烯纤维为8～12份，聚芳酰胺纤维为8～12份，优选的，所述内衬灰浆的各个组分的质量份数比为：5份碳酸钙、5份硅酸钙、10份沸石粉、10份粉煤灰、15份矿渣微粉、15份淀粉醚、10份丙酸钙、10份对位芳纶纤维、10份高性能聚乙烯纤维、10份聚芳酰胺纤维。将内衬灰浆与水按1：(0.4～0.6)比例充分拌和后即可形成一种适宜喷涂、浇筑、泵送或仅靠重力即可流入尺寸在6mm以上孔洞的膏状材料。在拌合时，水的加量根据施工方法的不同在流塑和可塑范围内调节。本发明所制灰浆具有强度高、耐刮抹性好、耐磨性好及耐腐蚀性好等特点。本发明所制灰浆在不依赖特殊养护的条件下便可以迅速硬化，且硬化后的内衬层极为致密，因此具有极佳的防渗性能。另外，本发明所制灰浆还具有优异的切片韧性、高弹性模量及自胶结性能；纤维材料的加入使灰浆材料固结后具有更强的内聚力和挠曲强度。除了良好的刮抹性，本发明所制灰浆即使在潮湿的表面上也有很强的附着力，不会发生流挂现象。

实际加固时，为确保修复后管片具有足够的结构强度，在充分考虑内衬灰浆力学强度的基础上，采用原位浇筑高性能复合灰浆联合钢筋网格的方式对隧道管片进行加固。

具体过程如下：

1)搭设临时脚手架

结合隧道内部条件及可作业限制，搭设临时脚手架。到达施工区域后，首先卸下门式脚手架，并开始脚手架拼装，拼装完成后，固定好四个轮脚同时加固好斜撑。本工程中所用脚手架最大搭设高度为9.6m(含1.2m护栏)，也可以根据现场实际情况对工作平台高度和长度进行适当调整，但层间距不得超过2m，立杆纵向间距不得大于3m。对于处于运行中的隧道修复，应考虑允许施工时间的限制，尽量采用可快速安装和拆除的脚手架形式。

2)待修复管片环凿毛及高压水清洗

采用高压水凿毛及或其它机械凿毛机对拟修复管片环进行凿毛，并对凿毛后的表面进行高压水清洗，确保将管片上的污泥、油渍全部清洗干净，直至露出粗糙硬实的表面。

3)植筋或打膨胀螺丝

根据要求在管片进行植筋或打入膨胀螺栓，植筋或膨胀螺栓用于固定钢筋网格、增加修复结构与原隧道结构的粘结强度。

4)绑扎安装钢筋网

隧道管片环修复主要用于增强隧道环的整体刚度并提升相应区域的抗拉强度。选用hrb400级螺纹钢，钢筋网按φ12@100×200mm规格绑扎。

5)涂刷界面剂

界面剂是由水泥、填料、聚合物胶粉和相关的外加剂组成的粉状物，具有高黏结力，优秀的耐水性、耐老化性，使用界面剂有利于新老混凝土结构的粘结。使用时按水泥：砂：界面剂为1∶2∶0.5的比例混合搅拌均匀，涂甩于待处理表面。

6)灰浆喷涂

为实现快速施工，选用与本发明所制灰浆配套的的灰浆喷涂机进行灰浆浇筑作业。所选用的配套喷涂机适用于隧道等密闭空间内建筑结构的喷涂修复施工，可以使进料、供水、搅拌和泵送同时进行，大大加快了施工进程。喷涂过程分两次完成：第一遍喷涂使灰浆全部覆盖钢筋网，并进行人工平整；第二遍喷涂到预定厚度，一般使钢筋保护层厚度为25mm左右。采用φ12规格的钢筋网加固，整个加固体厚度控制在50mm以内。若喷涂的灰浆层厚度超出隧道建筑限界规定，则需要用工具将管片上超过限界的那一部分混凝土敲掉直至碎石全部露出，使浇筑的灰浆层厚度满足设计要求；若喷涂的灰浆层厚度未超出隧道建筑限界规定，则应及时对喷涂的灰浆进行抹平。

7)灰浆养护

灰浆宜保湿养护，24小时后抗压强度即可达到30mpa以上。

综上所述，本发明的方案适用于对既有地铁隧道管片进行高质量加固，对破坏管片进行有效修复。本发明采用原位浇筑高性能复合灰浆联合钢筋网格的方式，具有稳定性高、施工速度快等优势。同时，能保证加固强度及施工质量，保障后续工程施工应用前景良好。本发明以较佳实施例公开如上，但并不用以限定本发明的保护范围。由于在施工及运营过程中隧道管片破损开裂的情况广泛存在，大多数地铁隧道管片的加固修复均可采用本发明，或对本发明稍加润饰和改动再加以应用。本发明的保护范围应以权利要求书为准。