隧道襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)的應(yīng)用

張 華

(中鐵十二局集團有限公司， 山西 太原 030000)

隧道襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)的應(yīng)用

張 華

(中鐵十二局集團有限公司， 山西 太原 030000)

為了解決隧道襯砌拱頂脫空及混凝土厚度不足等質(zhì)量問題，從工藝原理、工藝特點和操作要點等方面介紹襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)。通過在蒙華鐵路萬榮隧道進行現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)采用襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)澆筑的混凝土飽滿、密實，能有效解決拱頂襯砌厚度不足及脫空問題，在很大程度上提高襯砌的整體性。最后，從拱頂襯砌質(zhì)量和注漿施工工序?qū)Ｗ{及回填注漿工藝進行對比。

隧道； 襯砌混凝土； 臺車改造； 逐層逐窗澆筑； 拱頂脫空； 帶模注漿； RPC管

0 引言

隨著國家對建設(shè)方面的大量投入，工程建設(shè)水平不斷提高，發(fā)展速度也不斷加快，隧道在鐵路、公路和水利水電工程中所占的比例越來越大。二次襯砌作為隧道的一種重要支護方式，在隧道開挖并進行支護后，需要盡快修筑，以防止因圍巖裸露時間過長而引起風(fēng)化、松動和塌落的發(fā)生[1]。

自2010年以來，隧道襯砌質(zhì)量問題日益突出，先后有多條鐵路隧道出現(xiàn)拱部開裂掉塊、修補脫落、敲擊空響、滲漏水鑿槽修補脫落和涌水等病害，這些問題的存在，極可能造成襯砌荷載增大、圍巖松弛增加，加劇地表下沉，嚴(yán)重威脅行車安全。部分線路在靜態(tài)驗收時，因隧道質(zhì)量問題嚴(yán)重推遲開通，對運營和安全造成了嚴(yán)重影響，經(jīng)濟損失巨大。分析各種不同的圍巖類型及隧道傳統(tǒng)襯砌[2-3]施工中的主要病害，其產(chǎn)生的主要原因是襯砌厚度不足、空洞及襯砌背后不密實，即拱頂混凝土灌注工藝與預(yù)判無方法或標(biāo)準(zhǔn)。

針對這個現(xiàn)狀，非常需要研究一項更有效的工藝來解決隧道襯砌拱頂?shù)拿摽諉栴}，增強隧道襯砌的穩(wěn)定性，提高隧道施工質(zhì)量[4-5]。在2016年，一種可帶模注漿的新型鐵路隧道襯砌臺車出現(xiàn)在隧道襯砌施工中[6-7]，通過使用該襯砌臺車進行逐層逐窗灌注混凝土[8-9]，同時進行帶模注漿[10-11]作業(yè)，有效解決了傳統(tǒng)二次襯砌空洞缺陷性整治難的問題，極大地提高了隧道襯砌質(zhì)量。

在蒙華鐵路萬榮隧道襯砌施工中，采用了襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)。以往傳統(tǒng)的注漿工藝多采用縱向注漿，但縱向注漿管操作復(fù)雜，實用性差，注漿效果也并不理想。而在這項施工工藝中，帶模注漿管既可以當(dāng)作混凝土澆筑的觀察孔，還可作為注漿排氣孔、注漿孔和溢漿孔，一孔多用，操作簡單，在簡化傳統(tǒng)注漿工藝的同時，大大提高了注漿質(zhì)量。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在襯砌施工中采用逐層逐窗入模澆筑混凝土及對襯砌進行帶模注漿，可以有效避免后期脫空的問題，避免注漿的“兩層皮”現(xiàn)象，能夠?qū)Ω鞣N原因造成的襯砌厚度不足進行及時補救，并對拱頂襯砌施工冷縫以及環(huán)向施工縫進行及時修復(fù)，以期為今后隧道的安全運營提供可靠保證。

1 隧道襯砌逐層逐窗澆筑技術(shù)

1.1 工藝原理

通過主料斗、主溜槽、“三通”分流槽、分流串筒和入窗溜槽結(jié)合的方式，簡單操作相應(yīng)的插板閥門，使混凝土流向各工作窗口，實現(xiàn)二次襯砌拱墻混凝土的逐窗進料澆筑。

1.2 工藝特點

1)實現(xiàn)了襯砌邊墻混凝土逐層逐窗入模，有效避免了混凝土離析、骨料堆積、產(chǎn)生“人”字坡冷縫等弊端；提升了襯砌邊墻混凝土澆筑的實體質(zhì)量和外觀質(zhì)量。

2)減少了邊墻澆筑換管工序，降低了勞動強度，節(jié)約了澆筑時間。

3)滑槽體系經(jīng)濟適用，一次安裝重復(fù)使用，現(xiàn)場操作簡單便捷，一線工人易于接受。

4)滑槽體系采用人性化設(shè)計，作業(yè)通道暢通有序，安全性高。

1.3 操作要點

1.3.1 襯砌臺車滑槽布置

料斗、溜槽和串筒均采用3 mm鋼板制作?；垩b置分3級，第1級為主料斗，第2級為分料斗，第3級為分流串筒，均通過入窗溜槽方式，實現(xiàn)對左、右各3層共計18個窗口的均勻供料。臺車混凝土分流串筒布置見圖1。

圖1 臺車混凝土分流串筒布置示意圖

1.3.2 混凝土澆筑

1)為滿足帶模注漿需要及判斷拱頂混凝土是否飽滿，需埋設(shè)注漿管。注漿管必須在澆筑混凝土前安裝,注漿管埋設(shè)完畢，即可開始澆筑混凝土。具體澆筑步驟為： 澆筑第1層窗口—關(guān)閉分流串筒1層閥門，澆筑第2層窗口—澆筑第3層窗口—泵管接入拱頂灌注口，進行沖頂施工。

2)混凝土澆筑時，通過輸送泵將混凝土泵入臺車頂主料斗，通過各級插板閥門，使混凝土經(jīng)主滑槽、“三通”分流槽、分流串筒和入窗溜槽，導(dǎo)流至各相應(yīng)工裝窗口，左右兩側(cè)混凝土面高差不得超過1.0 m，前后高差不得超過0.5 m，實現(xiàn)混凝土由下而上、逐窗入模分層澆筑的目的。

3)澆筑拱頂混凝土?xí)r，通過觀察4個出漿口以及監(jiān)控攝像頭，看混凝土是否澆筑到拱頂，注意觀察預(yù)埋管是否出漿，必要時輔以鈍頭圓鋼筋確定管內(nèi)出漿情況，以確定混凝土是否達(dá)到注漿管出漿口位置。各注漿孔出漿以及端?；炷溜枬M后，認(rèn)為混凝土基本完成沖頂。

4)拱頂混凝土澆筑完畢，及時對注漿口進行清理，避免注漿管堵塞。

2 隧道襯砌帶模注漿技術(shù)

2.1 工藝原理

通過對襯砌臺車進行改造，在襯砌臺車模板中心線位置沿臺車縱向方向設(shè)置一定數(shù)量的注漿孔，并安裝注漿用固定法蘭，在澆筑混凝土前預(yù)埋活性粉末混凝土(RPC)注漿管，混凝土澆筑結(jié)束后及時從預(yù)埋注漿管處進行注漿。

2.2 工藝特點

1)通過簡化預(yù)埋管及注漿施工工藝、改進注漿工裝及襯砌微膨脹注漿結(jié)合料，將襯砌拱頂澆筑的隱蔽工程轉(zhuǎn)化為“可見”工程，預(yù)防襯砌拱頂缺陷，避免因襯砌厚度不足進行二次回填注漿或破除重建。

2)微膨脹注漿結(jié)合料具有修復(fù)施工間隙縫、冷縫及混凝土不密實、缺棱掉角等缺陷的作用；通過漿體的滲透堵塞防水板破損，形成“蘑菇”型栓塞，具有堵水功能，減少拱頂部位的滲漏。

3)采用隧道襯砌專用注漿機注漿，該設(shè)備集注漿、儲漿、壓漿多功能為一體，且具有較高的注漿壓力，可充分克服低水料比漿體的管道阻力和漿液垂直輸送的阻力。

4)利用襯砌臺車的支撐，混凝土澆筑完及時注漿。施工時間段，不影響其他工序。

5)統(tǒng)計每環(huán)襯砌注漿量，實施過程管理和考核，倒逼施工班組提高襯砌灌注質(zhì)量。

2.3 操作要點

2.3.1 襯砌臺車

2.3.1.1 注漿孔布置

1)在襯砌臺車頂模上開孔，按照臺車長度設(shè)計注漿孔數(shù)量，9～12 m臺車不少于4個注漿孔。注漿孔孔徑為40 mm，沿襯砌臺車拱頂中心線開設(shè)。如果襯砌中有鋼筋網(wǎng)時可適當(dāng)增加注漿孔數(shù)量。

2)12 m臺車注漿孔位置布置見圖2，主注漿孔距離側(cè)端模為60～100 cm。

3)端模排氣孔(也作為注漿孔)距端模邊緣100～150 cm。中間排氣孔(注漿孔)安置在混凝土灌注口之間平均分布。在初始設(shè)計注漿孔位置時，當(dāng)設(shè)計位置與臺車鋼梁位置有沖突時，可將注漿孔位置進行適當(dāng)調(diào)整。

圖2 臺車注漿孔縱斷面布置示意圖(單位： cm)

Fig. 2 Sketch of longitudinal profile of layout of grouting holes in trolley(unit: cm)

2.3.1.2 注漿管定位法蘭及固定管

注漿管定位法蘭同固定法蘭規(guī)格，厚度10 mm，外徑120 mm，內(nèi)徑40 mm，定位法蘭焊接RPC注漿管用套管，套管長度50 mm，內(nèi)徑38 mm。定位法蘭采用四周滿焊的方式焊接在開孔位置。

2.3.1.3 注漿管安裝

從固定法蘭處垂直穿入RPC注漿管，上端頂住防水板，以實際深度+2 cm為標(biāo)準(zhǔn)長度，裁切RPC管多余長度，并在穿入襯砌RPC管頂端管口切割“十”字溢流槽，深度0.5 cm，寬度為0.3 cm。將注漿管溢流槽端插入固定法蘭，用螺栓擰緊。依次安裝其他注漿口處的RPC注漿管，并做好相關(guān)記錄。具體安裝步驟如下： 備好端頭帶有“+”槽的RPC注漿管—臺車頂部預(yù)留螺栓(首次安裝)—采用注漿管量測二次襯砌模板與防水板之間的距離—量測后對注漿管做好標(biāo)識—根據(jù)標(biāo)識進行切割(長度為標(biāo)識長度+2 cm)—安裝切割后的RPC注漿管—RPC注漿管安裝后，安裝法蘭固定RPC注漿管—注漿時從上至下依次連接變徑接頭、壓力表及注漿軟管。

2.3.2 施工工藝流程及操作要點

2.3.2.1 施工工藝流程

帶模注漿施工工藝流程見圖3。

圖3 帶模注漿施工流程圖

2.3.2.2 操作要點

一般在混凝土灌注結(jié)束1～2 h后，開始帶模注漿。

1)注漿過程。對1#主注漿孔進行注漿，控制水料質(zhì)量比為0.18，當(dāng)2#注漿孔出漿或壓力表讀數(shù)超過1.0 MPa時停止注漿，依次對2#、3#注漿孔進行注漿，當(dāng)二次襯砌端模處出漿時，結(jié)束注漿。4#注漿孔為備用，根據(jù)出漿情況選擇使用。

2)操作要點。①注漿順序由主注漿孔向端模注漿孔依次進行注漿。②每一個注漿孔均需注漿，但在注漿過程中進行其他孔注漿時未注漿的注漿孔流出達(dá)到相同密度的漿體時，該孔可以封閉，不進行注漿。③注漿結(jié)束標(biāo)志以排氣孔和端頭模板流出濃漿即結(jié)束注漿。若臺車模板處出漿壓力達(dá)到1.0 MPa，仍未出濃漿，應(yīng)更換注漿孔注漿，直至端模排氣孔流出濃漿時停止注漿。RPC注漿管內(nèi)須飽滿，注漿完畢更換注漿連接件時應(yīng)及時封堵RPC注漿管。④記錄注漿總量、注漿開始時間和結(jié)束時間。

3)管路清洗。注漿結(jié)束后關(guān)閉止?jié){閥門，卸下注漿機軟管及注漿管件，及時封堵RPC注漿管，用清水反復(fù)沖洗注漿設(shè)備，保障管路暢通。

待襯砌混凝土強度達(dá)到8.0 MPa后，敲除外露RPC注漿管，臺車脫模前行，進入下一循環(huán)施工工序。

2.3.3 材料及設(shè)備

1)注漿管材料。由普通硅酸鹽水泥、硅砂、礦物摻和料、聚羧酸減水劑、高強鋼絲網(wǎng)(steel mesh)和其他助劑[12]等經(jīng)過高溫?zé)岷系忍囟üに嚄l件生產(chǎn)出來的水泥基復(fù)合材料。RPC注漿管材料性能指標(biāo)見表1。

表1 RPC注漿管材料性能指標(biāo)

2)注漿材料。注漿采用高流動性微膨脹注漿材料，由普通硅酸鹽水泥、超細(xì)摻和料、聚羧酸減水劑、微膨脹劑和硅砂等[13]為主要成分，經(jīng)均勻復(fù)合而成的，具有微膨脹性能、良好的流動性和泵送性，與襯砌混凝土具有良好的結(jié)合性能，對混凝土具有修復(fù)作用，性能指標(biāo)見表2。漿液要求連續(xù)拌制，拌制過程中嚴(yán)格監(jiān)控材料用量，確保漿液的質(zhì)量。

表2 充填砂漿性能指標(biāo)

3)注漿機具。制漿及注漿設(shè)備宜采用制漿注漿一體機，制漿、儲漿及注漿一體化，施工速度快，使用方便。實踐中，管道及垂直輸送阻力達(dá)2.0 MPa。

制漿部分采用立式雙層攪拌機，上層為攪拌桶，下層為儲料桶。攪拌速率為50～72 r/min，攪拌桶容量為200 L，儲料桶容量為200～400 L。攪拌桶表面有過濾篩及振動下料電機。

注漿部分宜采用活塞式壓漿機，電機功率不低于6 kW，注漿活塞可承受壓力不低于5.0 MPa。等效垂直輸送距離不低于40 m。

2.3.4 帶模注漿工藝注意事項

1)混凝土灌注前，分析注漿管預(yù)埋長度，通過每循環(huán)預(yù)埋的4根注漿管長度，基本判斷襯砌的平整度、超欠挖情況。尤其對預(yù)埋管長度明顯小于設(shè)計厚度的，需要退出臺車，拆除防水板，對支護重新處理，避免留下隱患。

2)混凝土灌注過程中，觀察注漿管的出漿情況。原則上要求每根注漿管能夠出漿，在此種情況下，能夠保證拱頂混凝土飽滿，無質(zhì)量缺陷，注漿量小。對支護不平整的情況，也應(yīng)確保1～2根注漿管出漿，尤其是遠(yuǎn)端的注漿管出漿。

3)混凝土灌注后，對帶模注漿量進行及時分析。每12 m襯砌拱頂注漿量0.5～1 m3(根據(jù)圍巖等級不同，空隙體積0.5～1 m3)。

4)在支護平整度滿足要求的情況下，如果注漿材料超過正常用量過大，須及時分析原因，調(diào)整下一循環(huán)襯砌混凝土配合比、澆筑工藝，提高襯砌混凝土澆筑質(zhì)量。

5)由于支護不平整，端頭模板易漏漿，如果端頭模板低位漏漿，易造成無法保壓和拱頂充滿，因此，應(yīng)對端頭模板采取封閉措施，如放置弧形防漏的防水板或防水布[14]等。

6)注漿設(shè)備為高壓注漿機，其壓力遠(yuǎn)高于常規(guī)的水泥漿回填注漿機，因此內(nèi)部活塞部分精密程度較高，清理不干凈易堵塞，應(yīng)由專人負(fù)責(zé)清理。

3 工程應(yīng)用

3.1 項目概況

萬榮隧道全長7 683 m，設(shè)計為單洞雙線。主要工程地質(zhì)為砂質(zhì)新黃土、砂質(zhì)老黃土和粉細(xì)砂，Ⅴ、Ⅵ級圍巖占97.7%。地表村莊、道路、果林、黃河灌溉渠密布，最大埋深90 m。隧道地層為砂質(zhì)新黃土、砂質(zhì)老黃土、粉砂和細(xì)砂。地表水不發(fā)育，地下水位埋深 300 m 左右。地表溝壑縱橫，起伏變化較大。粉細(xì)砂層施工地段，極易發(fā)生流砂、涌砂，施工安全風(fēng)險極高，是制約工期的最大風(fēng)險源，被蒙華鐵路列為Ⅰ級高風(fēng)險及重難點工程。全隧暗洞支護采用Ⅴb土復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌厚度50 cm。圖4為Vb土支護結(jié)構(gòu)圖。

圖4 Vb土支護結(jié)構(gòu)圖(單位： cm)

3.2 逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)的應(yīng)用效果

目前，蒙華鐵路萬榮隧道已將隧道襯砌逐層逐窗澆筑及帶模注漿工藝納入工序管理，完成了160個循環(huán)的二次襯砌拱頂帶模注漿，每循環(huán)襯砌長度11.9 m，全長 1 904 m，每循環(huán)平均注漿量為0.36 m3。

在注漿過程中，通過預(yù)埋徑向RPC管，對拱頂襯砌厚度進行預(yù)判，觀察灌注拱頂混凝土?xí)rRPC管口的溢漿情況；同時通過對拱頂襯砌混凝土灌注飽滿度進行監(jiān)控，統(tǒng)計每環(huán)注漿量判斷拱頂混凝土灌注施工質(zhì)量，形成倒逼機制，有效地提高了作業(yè)隊的施工質(zhì)量。避免了人為原因造成的襯砌質(zhì)量不滿足要求；在襯砌施工間隙注漿，不影響整體工期。

經(jīng)第三方檢測單位對已完成施工襯砌段落采取襯砌拱頂取芯、雷達(dá)掃描檢測(見圖5和圖6)，實體質(zhì)量合格。結(jié)果證明：

1)逐層逐窗澆筑及帶模注漿技術(shù)所澆筑的混凝土飽滿、密實，襯砌厚度滿足設(shè)計要求。有效地解決了隧道襯砌拱頂混凝土厚度不足的問題，避免了拱頂脫空。

2)大大提高了襯砌整體穩(wěn)定性，效果非常明顯，極大地減小了隧道不良地質(zhì)地段的風(fēng)險。

圖5 芯樣

圖6 拱頂檢測波形圖

4 帶模注漿與回填注漿工藝對比

4.1 拱頂襯砌質(zhì)量

1)帶模注漿?？芍笇?dǎo)監(jiān)控襯砌施工；預(yù)防襯砌脫空，解決襯砌厚度不足，形成整體的襯砌結(jié)構(gòu)；修復(fù)愈合施工縫。

2)回填注漿[15]。 普通注漿液與原襯砌形成“兩層皮”，不利于襯砌的整體性；通常一次無法飽滿，需多次注漿；襯砌厚度嚴(yán)重不足時，需加固或重建。

4.2 注漿施工工序

1)帶模注漿。襯砌施工完畢，利用襯砌臺車及時注漿，每循環(huán)時間約2 h，不占用其他工序時間，采用本工藝澆筑1個循環(huán)襯砌混凝土需要8 h、8個工人。

2)回填注漿。襯砌混凝土達(dá)到100%設(shè)計強度后，須額外搭設(shè)腳手架，因預(yù)埋的PVC注漿管易堵塞，須重新鉆孔，影響后續(xù)工序及施工進度。每循環(huán)襯砌混凝土需要12 h、7個工人。

5 結(jié)論與討論

1)二次襯砌滑槽逐窗入模施工技術(shù)，減少了換管工序，降低了勞動強度，提高了工作效率。

2)帶模注漿解決了襯砌拱頂脫空問題，并使注漿料與襯砌混凝土形成良好的受力整體，通過對注漿量量化考核，倒逼施工班組提高襯砌澆筑質(zhì)量。帶模注漿工藝將傳統(tǒng)的隧道襯砌空洞缺陷由后期修補變?yōu)榍捌陬A(yù)防，早期“預(yù)防”式治理，及時糾正和改進，將“隱蔽”的“缺陷”工程變?yōu)椤翱梢姟钡摹翱煽俊惫こ獭?/p>

3)帶模注漿存在的缺陷： 由于注漿后漿液的收縮，拱頂可能還會出現(xiàn)微小的空隙，從而對襯砌的質(zhì)量造成一定影響。

襯砌逐層逐窗澆筑技術(shù)及帶模注漿技術(shù)作為一項新工藝，對比傳統(tǒng)工藝已有了長足的進步。本文就蒙華鐵路萬榮隧道的實際應(yīng)用得出的結(jié)論出發(fā)，在前人研究的基礎(chǔ)上更系統(tǒng)化地對這項工藝的工藝特點、施工流程、操作要點以及應(yīng)用效果等方面做了詳細(xì)論述及總結(jié)。隨著這一技術(shù)的不斷成熟，必將會更多地應(yīng)用于工程施工中，有效提高工程質(zhì)量，為我國高鐵隧道建設(shè)保駕護航。

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ApplicationofCastingLayerbyLayerandWindowbyWindowandGroutingThroughMoldtoTunnelLining

ZHANG Hua

(ChinaRailway12thBureauGroupCo.,Ltd.,Taiyuan030000,Shanxi,China)

During the casting of tunnel lining, the inadequate concrete thicknesses and crown top disengagements often occur. As a result, the technologies of lining casting layer by layer and window by window and grouting through mold used in Wanrong Tunnel on Menghua Railway are put forward in terms of working principle, characteristics and key operation points. The application results of the above-mentioned technologies show that the technologies used are feasible and efficient, which have improved the integrity of the lining. Finally, comparison is made between technology of grouting through mold and that of backfill grouting in terms of lining quality of crown top and grouting procedures.

tunnel; lining concrete; trolley renovation; casting layer by layer and window by window; crown top disengagement; grouting through mold; RPC tube

2017-07-17;

2017-10-20

張華(1980—)，男，山東日照人，2016年畢業(yè)于吉林大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事鐵路隧道工程技術(shù)管理方面的工作。

E-mail： 276556248@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.015

U 45

B

2096-4498(2017)12-1607-06