矿山法隧道内衬缺损露筋的成因及修补处理措施

矿山法隧道内衬缺损露筋的成因及修补处理措施

陈远航 ,钟灏

广州地铁集团有限公司   广东省  510000

摘要：本文以探索引入新的隧道内衬缺损、露筋等缺陷的处理方法及新材料为目的，广泛搜集现有相关试验数据及研究成果，从内衬结构缺陷的成因着手，结合新兴材料的优秀性能，探讨新兴材料及工艺应用在地铁隧道内衬缺陷修复方面的可行性进行分析。通过分析，本文认为凭借优越的材料特性，超高性能混凝土在结构发生大面积缺损、露筋时，具有较好的应用前景，能有效增强既有基体的承载能力和耐久性。

1. 背景

某地铁隧道矿山法段存在有保护层不足、脱落或内部钢筋外露等情况，严重影响了隧道结构的表观质量、受力性能及耐久性。混凝土露筋是一种常见的病害缺陷，钢筋混凝土结构出现露筋会导致内部钢筋锈蚀速率增快，减小整体受力截面面积，降低钢筋与混凝土之间的黏结力（握裹力），从而导致混凝土结构的承载能力和耐久性受到严重的影响。

图1. 露筋实例

针对钢筋混凝土缺损露筋的成因、影响以及处理措施，国内外学者已有了比较充分的研究：

孙卫锋针对高速铁路隧道二衬拱顶钢筋保护层厚度不足的问题，提出使用芳纶纤维布对工程施工造成的缺陷进行加固、补强的具体方法，并对该方法的优点、经济性进行论证[1]。梁珮莹等人通过试验研究，分别研究了对破损面清洁处理与否、对暴露钢筋的涂料选择、对是否含掺杂丙烯酸乳液的聚合物砂浆及是否刷有机硅防水涂料的效果进行对比，提出增强破损露筋混凝土结构修复效果的工艺，并在广州市番禺区市桥大桥的修复中得到应用[2]。湖南大学张阳等人通过利用斜剪试验，探讨UHPC龄期、NC基体湿润度、NC表面粗糙度和UHPC养护条件对界面抗剪强度的影响，高性能混凝土具有超高强度、超高韧性、超高耐久性等优异性能，UHPC加固层既增强了混凝土结构的承载能力，还能显著提升其抗渗透性和耐久性，有效延长结构的使用年限[3]。

2. 露筋缺陷的成因分析

2.1建设施工期的原因：

（１）钢筋骨架放偏，没有钢筋垫块或垫块数量放置不够，位置不正确，致使钢筋紧贴模板而外露。（２）钢筋保护层垫块强度不足，施工时的保护层垫块或缺少或被压碎。（３）混凝土粗骨料粒径大于钢筋间距，同时又由于混凝土漏振，形成严重蜂窝和孔洞而使钢筋外露。（４）因钢筋自重造成架立筋变形或弯曲，引起钢筋下移而外露。

2.2运营使用期的原因：

一般分两种情况:一种是钢筋保护层在受振动、外力作用下先遭受破坏，从而导致钢筋锈蚀;另一种是钢筋先发生锈蚀体积膨胀(体积约增大2倍以上)，从而使保护层开裂甚至脱落。实际情况中，钢筋混凝土结构破损露筋缺陷往往是以上两种原因共同综合作用的，保护层的开裂破损会加剧内部钢筋的锈蚀，内部钢筋锈蚀会对周围混凝土产生压力，使其开裂而成块脱落。

3. 新的修补方法在地铁隧道的应用

缺损露筋常用修补方法主要是采用环氧树脂砂浆和挂网填充混凝土的方法进行修补，由于环氧树脂砂浆等材料自重大，修补厚度薄，在修补完成后有易脱落、侵入行车限界的风险，给铁路运营期间留下了安全隐患。同时，环氧砂浆修补也存在修补材料与基体或内部钢筋黏结强度（一体性）不足的情况，不利于确保钢筋及混凝土共同承载，对提高结构的承载能力作用有限。随着新技术、新材料、新工艺的出现，也逐渐研究改进的露筋修补方法。本文通过搜集和阅读保护层厚度不足、缺损以及露筋的相关研究文献，提炼出“利用超高性能混凝土修补缺损露筋”在地铁隧道结构中应用的讨论。

超高性能混凝土是一种具有超高强度、超高韧性、超高耐久性等优异性能的新型混凝土，UHPC加固层可增强混凝土结构的承载能力，还能显著提升其抗渗透性和耐久性，有效延长结构的使用年限。利用超高性能混凝土修补的一般工序为：凿除破损混凝土→表面粗糙处理（凿毛）→清洗旧混凝土表面→安装模板→灌注UHPC混凝土→养护和拆模。具体方法和流程如下：a.凿除破损混凝土：表面破损、开裂的混凝土全部凿除，露出钢筋；b.表面粗糙处理（浅凿毛）：利用冲击钻对界面凿毛处理，露出约80%以上的混凝土粗骨料；c.清理旧混凝土表面残渣及灰尘，并浇水使旧混凝土充分湿润；d.安装混凝土模板，预留注浆孔外，其余位置密封；e.利用UHPC的强流动性，在预留孔灌注UHPC；f.充分养护后拆模。

图2.凿毛程度对比

4. 应用效果分析

已有研究成果表明超高性能混凝土（UHPC）层与普通混凝土（NC）基体的黏结强度较高，UHPC-NC界面的抗渗透特性良好，可显著改善混凝土基体的抗渗透性[14-15]。同时，通过将旧混凝土基面浅凿毛处理和湿饱和处理，可分别提高连接界面斜剪强度77.1%和43.4%[13]。同时，超高性能混凝土（UHPC）优秀的抗压、抗折强度能为结构提供足够的承载能力，内部的钢纤维可保障修补块良好的整体性，不易开裂，其密实性及抗渗透性也可避免内部钢筋的进一步锈蚀，是良好的修补材料，修补效果显著。但是，超高性能混凝土（UHPC）具有较强的流动性，一方面可以使其作为修补材料无需振捣即可提供优良的材料性能，适用于隧道缺陷修补无法振捣的情景，另一方面也带来了施工的不便，不利于应用在隧道顶部的修补施工，同时需要安装模板也增加了施工的难度。因此，超高性能混凝土凭借超高的强度及抗渗透性，可作为一种优质的修补材料，但其较强的流动性及施工条件使其更适用于较大面积的隧道拱腰以下的修补，而不适用于隧道顶部的缺损露筋的修补。

5. 结论

本文通过搜集大量的关于混凝土结构破损及露筋修补的相关论文，总结了混凝土露筋的成因、危害及修补处理措施，并在此基础上讨论了两种较新的混凝土缺损修补方法，即芳纶纤维材料加固修补技术及超高性能混凝土（UHPC）修补在处理地铁隧道缺损及露筋的应用的讨论。本文认为芳纶纤维材料加固修补技术及超高性能混凝土（UHPC）修补可以应用在地铁隧道的缺损露筋修补中，其中芳纶纤维材料加固修补技术更适用于保护层不足、开裂或保护层已用常规方法修补过的情况，采用该技术可有效提高结果的整体承载能力及耐久性，适用性广；而超高性能混凝土（UHPC）可作为优质的隧道缺陷修补材料，其与旧混凝土表面黏结性能好，强度高，抗渗性强，修补效果佳，但因其具有较强的流动性，施工条件更大，更适用于大面积的较严重的隧道内衬结构缺损露筋，如专项修等。

6. 参考文献

[1]孙卫锋. 高速铁路隧道二衬拱顶钢筋保护层厚度不足的整治方法[J]. 山西科技, 2012(6):3.

[2]梁珮莹汤光祥余朝阳张东生. 破损露筋混凝土结构修复工艺研究[J]. 公路交通技术,2014, 000 (003) :78-81, 85.

[3]张阳, 吴洁, 邵旭东,等. 超高性能混凝土-普通混凝土界面抗剪性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2021, 54(7):9.