一种隧道顶拱结构修复方法及修复结构
技术领域
本发明涉及工程技术领域，尤其涉及一种隧道顶拱结构修复方法及修复结构。
背景技术
地下工程、地下轨道交通工程修建在岩土层之中，地下水会对工程结构造成不同程度的侵蚀，同时，大气降水和地下管道渗漏水也是造成工程水害的重要原因。因此在工程建设过程中，结构外部和结构本身设置有效的防水措施将阻止地下水渗入，保障地下工程空间的功能需求和结构耐久性，确保轨道交通的长期安全运营。
截止2018年，我国共有36座城市开通轨道交通线路，总里程超过4000公里。各地的地铁隧道渗漏水事故时有发生，在运营地铁隧道中，因渗漏水原因导致的危害案例占所有类型危害的70％。随着地铁隧道服务年限的增加，或因为施工质量问题，引起隧道渗漏水的重要原因是衬砌内防水层破损，从而造成结构开裂、内部钢轨生锈，装饰结构腐蚀，严重威胁隧道结构安全，甚至引起地铁供电设备短路威胁人员生命财产安全。因此，对既有地铁隧道渗漏水区域防水层的修复是防止水害发生的有效手段。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够方便快速的对衬砌层、防水层进行修复且修复后防水效果好的隧道顶拱结构修复方法及修复结构。
为达到上述目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种隧道顶拱结构修复方法，用于修复所述顶拱结构的衬砌层和/或防水层，所述方法包括步骤：
S100、在所述顶拱结构的待修复区域打孔，所述孔贯穿所述顶拱结构的衬砌层和防水层并延伸至土层；
S200、在所述孔内形成上填充修复结构，所述上填充修复结构的底面位于所述防水层的上侧，所述上填充修复结构包括由第一填充浆料灌注形成的土层填充部；
S300、在所述孔内形成下填充修复结构，所述下填充修复结构的顶面位于所述防水层的下侧，所述下填充修复结构包括由第二填充浆料灌注形成的衬砌填充部；
S400、在所述上填充修复结构和所述下填充修复结构之间灌注沥青，以形成防水层修复结构；
S500、修复所述衬砌层的表面。
优选地，所述步骤S200包括如下步骤：
S220、在所述防水层的上侧设置第一封板组件，所述第一封板组件包括第一封板和设置于所述第一封板上的至少一个注浆预留管，所述第一封板在竖直方向上与所述防水层之间的距离大于或等于第一预设距离且小于或等于第二预设距离；
S230、通过所述注浆预留管向所述第一封板的上方注入水性环氧树脂，形成预定厚度的水性环氧树脂层；
S240、通过所述注浆预留管向所述水性环氧树脂层的上方注入所述第一填充浆料；
优选地，在所述步骤S220之前还执行如下步骤：
S210、采用压力清洗机对待注浆区域的孔壁进行清洗。
优选地，设置于所述第一封板上的注浆预留管为一个，定义为第一注浆预留管，所述第一注浆预留管的管口高于所述水性环氧树脂层设置。
优选地，所述第一填充浆料为水泥皂土浆液，所述水泥皂土浆液中，水泥、皂土和水的质量比为350:50:867。
优选地，所述步骤S240包括如下步骤：
S241、开始向所述水性环氧树脂层的上方注入所述第一填充浆料并记录初始的灌浆压力P初始1；
S242、持续灌浆；
S243、判断当前的灌注压力P是否大于P初始1+ΔP1，若是，则执行S244，否则继续判断，其中，ΔP为第一预设压力差值；
S244、停止灌浆。
优选地，所述步骤S300包括如下步骤：
S330、至少在所述衬砌填充部对应的孔壁上涂刷粘着剂；
S340、在所述防水层的下侧设置第二封板组件，所述第二封板组件包括第二封板和设置于所述第二封板上的至少一个注浆预留管，所述第二封板在竖直方向上与所述防水层之间的距离大于或等于衬砌填充部的厚度+第三预设距离且小于或等于衬砌填充部的厚度+第四预设距离；
S350、通过所述注浆预留管向所述第二封板的上方注入预定量的第二填充浆料；
优选地，所述粘着剂为水性环氧树脂；
优选地，所述步骤S330之前还包括如下步骤：
S310、至少对所述衬砌填充部对应的孔壁进行打毛处理；
S320、采用压力清洗机对打毛处理后的孔壁进行清洗。
优选地，在所述步骤S400中，通过设置于所述第二封板上的注浆预留管灌注温度在160℃至170℃范围内的热沥青，灌注压力P小于灌注沥青的初始压力P初始2+ΔP2，ΔP2为第二预设压力差值；
优选地，在进行沥青灌注前，首先对灌注沥青所用的注浆预留管进行预热。
优选地，所述注浆预留管包括两个，分别为第二注浆预留管和第三注浆预留管，所述第二注浆预留管用于灌注所述第二填充浆料，所述第三注浆预留管用于灌注沥青，所述第二注浆预留管的管口距离所述第二封板的距离为0.5至1.5cm，所述第三注浆预留管的管口高于所述衬砌填充部设置；
优选地，所述第二封板组件还包括设置于所述第二封板上的回浆排气管，所述回浆排气管顶端与所述第一封板贴合设置，所述回浆排气管的靠近其顶端的侧壁上设置有回浆排气口。
优选地，所述步骤S500包括如下步骤：
S520、对所述衬砌层的包括所述孔所在区域的待修复表面去除预设深度；
S530、植入L型加强件；
S550、采用环氧树脂砂浆进行表面修复；
优选地，还包括在所述步骤S520之前执行的步骤：
S510、对待修复表面进行划线，以划出修复范围。
为达到上述目的，另一方面，本发明还采用以下技术方案：
一种隧道修复结构，用于隧道顶拱结构的衬砌层和/或防水层的修复，所述修复结构包括贯穿所述顶拱结构的衬砌层和防水层并延伸至土层的孔，还包括自上而下设置于所述孔内的上填充修复结构、防水层修复结构和下填充修复结构，其中，所述上填充修复结构的底面位于所述防水层的上侧，所述上填充修复结构包括由第一填充浆料灌注形成的土层填充部，所述下填充修复结构的顶面位于所述防水层的下侧，所述下填充修复结构包括由第二填充浆料灌注形成的衬砌填充部，所述防水层修复结构由沥青灌注形成。
本发明提供的隧道顶拱结构修复方法中，先分别在孔内形成上填充修复结构和下填充修复结构，以在上填充修复结构和下填充修复结构之间形成修复空间，然后通过向修复空间灌注沥青来形成防水层修复结构，操作方便快捷，过程可靠，且修复后的结构更加牢固，防水效果好。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本发明具体实施方式提供的隧道顶拱结构修复过程图之一；
图2示出本发明具体实施方式提供的隧道顶拱结构修复过程图之二；
图3示出本发明具体实施方式提供的隧道顶拱结构修复过程图之三。
图中：
1、衬砌层；2、防水层；3、土层；4、上填充修复结构；41、第一封板组件；411、第一封板；412、第一注浆预留管；42、土层填充部；43、水性环氧树脂层；5、下填充修复结构；51、第二封板组件；511、第二封板；512、第二注浆预留管；513、第三注浆预留管；514、回浆排气管；52、衬砌填充部；6、防水层修复结构。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
本申请提供了一种隧道顶拱结构修复方法，用于修复顶拱结构的衬砌层和/或防水层，即，破损的衬砌层、防水层均可以采用本申请所提供的修复方法进行修复。
该修复方法包括如下步骤：
S100、在所述顶拱结构的待修复区域打孔，所述孔贯穿所述顶拱结构的衬砌层1和防水层2并延伸至土层3；
S200、在所述孔内形成上填充修复结构4，所述上填充修复结构4的底面位于所述防水层2的上侧，所述上填充修复结构4包括由第一填充浆料灌注形成的土层填充部42；
S300、在所述孔内形成下填充修复结构5，所述下填充修复结构5的顶面位于所述防水层2的下侧，所述下填充修复结构5包括由第二填充浆料灌注形成的衬砌填充部52；
S400、在所述上填充修复结构4和所述下填充修复结构5之间灌注沥青，以形成防水层修复结构6；
S500、修复所述衬砌层1的表面。
上述的修复方法中，先分别在孔内形成上填充修复结构4和下填充修复结构5，以在上填充修复结构4和下填充修复结构5之间形成修复空间，然后通过向修复空间灌注沥青来形成防水层修复结构6，操作方便快捷，过程可靠，且修复后的结构更加牢固，防水效果好。具体地，由于先形成相互分开的上填充修复结构4和下填充修复结构5，然后再对两者之间的空间进行填充，使得下填充修复结构5不会在注浆过程中承受过大的压力，优化了整个修复结构的内部的力分布，从而保证了结构的稳定性以及修复过程的可靠性，另外，这种灌注方式也能够减少误差的累积，使得防水层2的修复位置更加精准，修复成功率高，从而保证修复后的防水效果。采用沥青进行防水层的修复，其扩展能力强，可以在破碎的防水层中扩散，充分充填破碎的防水层，同时沥青防水效果好，成本低，将防水层修复，形成完整防水体系。
其中，第一填充浆料、第二填充浆料可以为任意能够起到填充修复作用的浆料，例如耐久性化学材料等，但耐久性化学材料单独充填土层强度不足，优选地，第一填充浆料采用水泥皂土浆液，其施工简单，凝结时间易控。第二填充浆料为无收缩水泥砂浆，第一是其凝结时间可以通过水泥的用量调节，对于隧道的修复施工过程中，更容易掌握浆液的凝结时间，第二是由于在砂浆层上要充填沥青，无收缩水泥砂浆凝结后进行沥青充填，保证砂浆不在沥青充填后出现收缩情况，导致出现离层现象，充填不密实，第三是成本低。
其中，在所述步骤S100中，孔的直径为140至160mm，进一步优选为150mm。
其中，在所述步骤S200中，为了实现第一填充浆料例如水泥皂土浆液的灌注，需要首先在下方设置封堵结构，例如设置板件等。在一个优选的实施例中，参考图1，步骤S200包括如下步骤：
S220、在所述防水层2的上侧设置第一封板组件41，所述第一封板组件41包括第一封板411和设置于所述第一封板411上的至少一个注浆预留管，所述第一封板411在竖直方向上与所述防水层2之间的距离大于或等于第一预设距离且小于或等于第二预设距离；
S230、通过所述注浆预留管向所述第一封板411的上方注入水性环氧树脂，形成预定厚度的水性环氧树脂层43；
S240、通过所述注浆预留管向所述水性环氧树脂层43的上方注入所述水泥皂土浆液。
如此，首先利用第一封板411起到暂时封堵的作用，然后在第一封板411上部注浆形成预定厚度的水性环氧树脂层43，水性环氧树脂可以稳定附着在潮湿的孔壁上，从而有效确保灌浆时不会漏浆。
其中，步骤S220中，由于第一封板411仅用于暂时的封堵，因此第一封板411在孔内的固定方式不做限制，只要能够将其位置固定即可，例如可以通过卡设、粘接等方式固定。第一封板411可以留在修复结构中，也可以在水性环氧树脂养护好之后或者水泥皂土浆液灌注完成后拆除。为了尽量避免漏浆，优选地，第一封板411设置在孔壁较完整的位置。
在步骤S220中，设置于第一封板411上的注浆预留管可以为一个，利用一个注浆预留管既进行水性环氧树脂的灌注，又进行水泥皂土浆液的灌注，也可以设置两个注浆预留管，其中一个注浆预留管进行水性环氧树脂的灌注，另一个注浆预留管进行水泥皂土浆液的灌注。由于水泥皂土浆液的流动性较好，为了节约成本、方便操作，优选地，如图1所示，采用一个注浆预留管即第一注浆预留管412来实现水性环氧树脂和水泥皂土浆液的灌注，此时，需要第一注浆预留管412的管口高于水性环氧树脂层43设置。
在步骤S220中，第一预设距离和第二预设距离可以根据实际需求设置，第一预设距离不能过小，过小会影响防水层2的修复，第二预设距离不能过大，过大会影响结构的整体可靠性，优选地，第一预设距离为5cm，第二预设距离为8cm。
在步骤S230中，水性环氧树脂层43的厚度不宜过大也不宜过小，过大会影响整体结构可靠性，过小则难以保证灌浆时不会漏浆，优选地，预定厚度为8至12cm，进一步优选为10cm。可以通过控制水性环氧树脂灌注量的方式实现其厚度的控制。为了提高控制精度以及便于后续水泥皂土浆液的灌注，优选地，在完成灌注后，采用压缩空气对第一注浆预留管412进行清洗。另外，水性环氧树脂层43灌注完成后需要静置养护至其完全凝固，结构可靠之后再进行步骤S240，例如养护8至10小时。
在步骤S240中，水泥皂土浆液中，水泥、皂土和水的质量比为350:50:867，此种配比尤其适用于地铁隧道的顶拱结构的修复中，由于运营地铁注浆施工时间有严格限制，一般每次的施工时间3个小时左右，该配比是既保证了浆液流动性又确保在3小时可以实现浆液凝结，适用于地铁隧道快速注浆加固施工工程。
在步骤S240中，可以采用定量灌注的方式对水泥皂土浆液进行灌注，为了保证充分的填充，优选地，步骤S240包括如下步骤：
S241、开始向所述水性环氧树脂层43的上方注入所述水泥皂土浆液并记录初始的灌浆压力P初始1；
S242、持续灌浆；
S243、判断当前的灌注压力P是否大于P初始1+ΔP1，若是，则执行S244，否则继续判断，其中，ΔP为第一预设压力差值，例如为1至2kg/cm2，进一步优选为1.5kg/cm2；
S244、停止灌浆。
进一步优选地，为了避免孔壁上附着的杂质例如积土影响后续灌注浆液对孔壁的黏附力，在步骤S220之前还执行步骤：
S210、采用压力清洗机对待注浆区域的孔壁进行清洗，以将积土等杂质冲洗掉。
具体地，采用2000spi压力清洗机以小流量对孔壁进行清洗。
在完成步骤S200后，优选将第一注浆预留管412露于外部的结构拆掉，以便于后续步骤的进行。
类似地，在步骤S300中，也需要首先设置封堵结构，然后再进行各浆料的灌注，在一个具体的实施例中，参考图2，步骤S300包括如下步骤：
S330、至少在所述衬砌填充部52对应的孔壁上涂刷粘着剂；
S340、在所述防水层2的下侧设置第二封板组件51，所述第二封板组件51包括第二封板511和设置于所述第二封板511上的至少一个注浆预留管，所述第二封板511在竖直方向上与所述防水层2之间的距离大于或等于衬砌填充部52的厚度+第三预设距离且小于或等于衬砌填充部52的厚度+第四预设距离；
S350、通过所述注浆预留管向所述第二封板511的上方注入预定量的第二填充浆料例如无收缩水泥砂浆，以使得衬砌填充部52距离防水层5至8cm。
如此，首先利用第二封板511起到暂时封堵的作用，并利用粘着剂为无收缩水泥砂浆提供很好的附着力，以获得非常可靠的结构，为后续的沥青灌注提供很好的基础。
为了增加孔壁的粗糙度，以利于粘着剂的附着，优选地，在步骤S330之前还包括如下步骤：
S310、至少对所述衬砌填充部52对应的孔壁进行打毛处理，例如，采用电动破碎机配合钎杆对孔壁进行打毛；
S320、采用压力清洗机对打毛处理后的孔壁进行清洗，例如，使用2000psi压力清洗机以小流量水清洗孔壁表面的积土等杂质。
在采用上述的步骤S310和步骤S320的实施例中，由于压力清洗机清洗后会在孔壁上形成残余水膜，这样会影响粘着剂的附着，为此，优选地，在进行步骤S330的粘着剂的涂刷之前，先采用高压空气将孔壁表面吹干。
其中，在步骤S340中，由于第二封板511仅用于暂时的封堵，因此第二封板511在孔内的固定方式不做限制，只要能够将其位置固定即可，例如可以通过卡设、粘接等方式固定。第二封板511可以留在修复结构中，也可以在无收缩水泥砂浆养护好之后或者沥青灌注完成后拆除。为了尽量避免漏浆，优选地，第二封板511设置在孔壁较完整的位置。
第二封板511上的注浆预留管可以设置为一个，利用一个注浆预留管既进行无收缩水泥砂浆的灌注，又进行沥青的灌注，这就需要该注浆预留管的管口高度较高，容易造成形成塔型的衬砌填充部，即造成衬砌填充部的表面不平而影响后续的沥青注浆效果，基于此，优选地，在步骤S340中，注浆预留管包括两个，分别为第二注浆预留管512和第三注浆预留管513，其中，所述第二注浆预留管512用于灌注所述无收缩水泥砂浆，所述第三注浆预留管513用于灌注沥青，所述第二注浆预留管512的管口距离所述第二封板511的距离为0.5至1.5cm，进一步优选为1cm，这样能够使得衬砌填充部结构均匀，上表面平整，有利于提高沥青注浆效果。所述第三注浆预留管513的管口高于所述衬砌填充部52设置。
在步骤S340中，将第二封板511设置在上述位置，使得衬砌填充部52的上表面距离防水层2的距离在第三预设距离与第四预设距离之间。第三预设距离和第四预设距离可以根据实际需求设置，第三预设距离不能过小，过小会影响防水层的修复，第四预设距离不能过大，过大会影响结构的整体可靠性，优选地，第三预设距离为5cm，第四预设距离为8cm。
在完成步骤S300后，优选将第二注浆预留管512露于外部的结构拆掉，以便于后续步骤的进行。
如图3所示，在步骤S400中，为了使得灌注沥青时，空间中的气体能够顺利排出以保证灌注过程的顺利进行，优选地，第二封板组件51还包括设置于第二封板511上的回浆排气管514，回浆排气管514顶端与所述第一封板411贴合设置，所述回浆排气管514的靠近其顶端的侧壁上设置有回浆排气口，如此，能够保证沥青完全充满待修补区域，同时侧向的斜口保证充满后浆液溢出，当浆液溢出时，表明沥青已注满，可以停止灌浆。
为保证沥青灌注的顺畅性，优选采用具有高流动性、软化点较低的AC(1)-10沥青，灌注温度在160℃至170℃范围内。在施工时，首先进行沥青灌注设备的安装、确认回浆排气管是否通畅以及管线的连接。其中，承装沥青的容器具有加热和搅拌功能，在加热沥青的同时保持充分的搅拌，当沥青达到温度要求即在160℃至170℃范围内时即可进行灌注，由于沥青温度较高，因此灌浆泵、管线、压力计等需要耐高温。
考虑到沥青的特性，其在灌注过程中容易凝结而将第三注浆预留管513堵塞，优选地，在进行沥青灌注前，首先对灌注沥青所用的注浆预留管即第三注浆预留管513进行预热，如此能够有效避免沥青在流经第三注浆预留管513时发生凝结，保证注浆过程的顺利进行。
为避免对衬砌层结构产生不良影响，优选地，在灌注沥青时，灌注压力P小于灌注沥青的初始压力P初始2+ΔP2，ΔP2为第二预设压力差值，例如为2至4kg/cm2，进一步优选3kg/cm2。
步骤S400中，待灌注完成后，待沥青冷却后，将第三注浆预留管513和回浆排气管514露出的部分除去，并将管口利用管帽封闭。
步骤S500中，可以直接在衬砌层1的表面涂抹浆液以进行表面修复，为了保证修复结构的可靠性和外观的整洁性，优选地，所述步骤S500包括如下步骤：
S520、对所述衬砌层1的包括所述孔所在区域的待修复表面去除预设深度，预设深度例如为1至2cm，优选为1.5cm；
S530、植入L型加强件，使得L型的一边插入修复结构或衬砌层1中，另一边位于步骤S520形成的1.5cm深的槽中，L型加强件例如为直径10mm的L型锚固钢筋，以增加后续修复材料的附着稳定性；
S550、采用环氧树脂砂浆进行表面修复。
在步骤S520中，在受损区域的边缘的结构会呈尖角状，利用破碎机进行打凿，以使得各个位置的深度保持1.5cm。
为了有效修复，进一步优选地，还包括在所述步骤S520之前执行的步骤：
S510、对待修复表面进行划线，以划出修复范围，例如以深1.5cm锯缝划出修复范围。
进一步优选地，在步骤S530与步骤S550之间还进行：
S540、采用高压水清除表面的粉尘和泥膜，如此能够进一步提高后续环氧树脂砂浆的附着力。
本申请还提供了一种隧道修复结构，用于隧道顶拱结构的衬砌层和/或防水层的修复，该隧道修复结构可通过上述的修复方法得到，参考图3所示，修复结构包括贯穿所述顶拱结构的衬砌层1和防水层2并延伸至土层3的孔，还包括自上而下设置于所述孔内的上填充修复结构4、防水层修复结构6和下填充修复结构5，其中，所述上填充修复结构4的底面位于所述防水层2的上侧，所述上填充修复结构4包括由第一填充浆料例如水泥皂土浆液灌注形成的土层填充部42，所述下填充修复结构5的顶面位于所述防水层2的下侧，所述下填充修复结构5包括由第二填充浆料例如无收缩水泥砂浆灌注形成的衬砌填充部52，所述防水层修复结构6由沥青灌注形成。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
