帶模注漿技術(shù)在蒙華鐵路大圍山隧道二次襯砌施工中的應(yīng)用

廖建東

(中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，四川成都 610045)

截止2018年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)13.1×104km，其中隧道所占比重也越來(lái)越大。二次襯砌是隧道工程施工在初期支護(hù)內(nèi)側(cè)施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護(hù)共同組成復(fù)合式襯砌，以達(dá)到加固支護(hù)、優(yōu)化路線(xiàn)防排水系統(tǒng)、美化外觀(guān)、方便設(shè)置通訊、照明、監(jiān)測(cè)等設(shè)施的作用[1]。

根據(jù)新奧法理論，初期支護(hù)承載圍巖70 %左右的松散壓力，二次襯砌僅是用作安全儲(chǔ)備和滿(mǎn)足凈空需求等。當(dāng)圍巖的收斂結(jié)束后進(jìn)行二次襯砌，形成抗荷環(huán)，只要混凝土的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，就能保證隧道的安全。但是目前國(guó)內(nèi)的隧道施工現(xiàn)狀，初期支護(hù)往往只是起到一個(gè)臨時(shí)封閉的作用，確切地說(shuō)是一個(gè)施工過(guò)程中的措施。當(dāng)初期支護(hù)收斂無(wú)法穩(wěn)定時(shí)，或者還未等到其收斂穩(wěn)定時(shí)，一般就緊跟施做了二次襯砌。所以二次襯砌的作用不再僅僅是安全儲(chǔ)備，相反承載著較大的圍巖松散壓力[2]。

鑒于此，隧道二次襯砌背后脫空防治就顯得尤為重要。本文通過(guò)分析隧道拱頂脫空的原因，對(duì)傳統(tǒng)注漿設(shè)備和工藝進(jìn)行革新和優(yōu)化，采用SM-RPC注漿管等新材料，在蒙華鐵路大圍山隧道進(jìn)行成功應(yīng)用后，形成了鐵路隧道拱頂帶模注漿技術(shù)。

1 隧道拱頂脫空主要成因

二次襯砌在澆筑過(guò)程中，常常受到人為因素、技術(shù)因素、混凝土干縮、徐變等因素的影響，在二次襯砌拱頂與防水板之間形成空隙(即脫空)，這種空隙會(huì)改變二次襯砌的受力結(jié)構(gòu)，減弱其支護(hù)強(qiáng)度。

形成拱頂脫空的原因很多，主要有：

(1)爆破開(kāi)挖后，因噴射混凝土操作不當(dāng)，致使初支面不平整，局部存在較深的凹坑，從而導(dǎo)致掛設(shè)的防水板背后形成空洞。

(2)澆筑二次襯砌邊墻混凝土?xí)r，因泵送速度過(guò)快，致使拱頂防水板受扯拽與初支脫開(kāi)，導(dǎo)致防水板與初支之間形成脫空。

(3)臺(tái)車(chē)端頭模板拼接不嚴(yán)密，混凝土澆筑完成后從接縫處漏漿、跑漿，致使拱部混凝土下落，形成空洞。

(4)混凝土在澆筑過(guò)程中振搗不密實(shí)，內(nèi)部存在氣孔、空洞等，上部混凝土澆筑完成后在自重作用下下沉，在拱部造成空洞。

(5)施工人員因端模封閉無(wú)法獲取二襯臺(tái)車(chē)內(nèi)部混凝土灌注飽滿(mǎn)程度，難以準(zhǔn)確判斷停止灌注時(shí)機(jī)，且為防止在沖頂過(guò)程中臺(tái)車(chē)變形過(guò)大，減少材料浪費(fèi)，當(dāng)預(yù)計(jì)混凝土用量比實(shí)際需求量少1～2 m3時(shí)，常放棄再次補(bǔ)充，導(dǎo)致混凝土灌注不足[3]。

(6)混凝土澆筑后，現(xiàn)場(chǎng)施工人員急于拆下混凝土輸送管，在拆管時(shí)，未形成自穩(wěn)能力的混凝土隨輸送管掉落下來(lái)，形成漏斗，造成襯砌脫空。

(7)襯砌臺(tái)車(chē)底座支撐不牢固，在混凝土澆筑過(guò)程中或澆筑后變形下沉。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，臺(tái)車(chē)多采用方木支墊行車(chē)軌道，由于襯砌臺(tái)車(chē)附近較潮濕，方木容易糟爛，在混凝土澆筑后方木被壓碎引起臺(tái)車(chē)下沉。

2 帶模注漿技術(shù)

2.1 工藝原理

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)二次襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行改造(圖1)，在臺(tái)車(chē)拱頂模板中心線(xiàn)位置沿臺(tái)車(chē)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)埋活性粉末混凝土注漿管(SM-RPC注漿管)，混凝土澆筑完成2～3 h后，在不脫模的情況下，及時(shí)從預(yù)埋注漿管處進(jìn)行注漿。

圖1 二次襯砌臺(tái)車(chē)改造后注漿孔排布示意(單位：m)

2.2 工藝流程

二次襯砌拱頂帶模注漿施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 二次襯砌拱頂帶模注漿施工工藝流程

3 帶模注漿操作要點(diǎn)

3.1 注漿孔布置及固定法蘭焊接

以施工現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的12 m二襯臺(tái)車(chē)為例，在臺(tái)車(chē)頂部中心線(xiàn)上開(kāi)4個(gè)孔，直徑為40 mm，注漿孔與上循環(huán)二襯端部距離為75 cm，在臺(tái)車(chē)端模75 cm處設(shè)置端模排氣孔，中間兩個(gè)排氣孔平均分布。布置圖詳見(jiàn)圖1。

在臺(tái)車(chē)頂部開(kāi)孔位置下緣焊接固定法蘭，固定法蘭外徑120 mm，內(nèi)徑40 mm，固定法蘭采用滿(mǎn)焊連接(圖3)，防止漏漿和注漿時(shí)法蘭脫落。之后，用兩個(gè)螺栓與法蘭焊接，用以固定SM-RPC注漿管及定位法蘭。

圖3 臺(tái)車(chē)開(kāi)孔后，焊接固定法蘭

3.2 安裝定位法蘭

將定位法蘭與固定法蘭通過(guò)螺栓連接(圖4)，定位法蘭外徑120 mm，法蘭鋼管內(nèi)徑38 mm、外徑40 mm、高度50 mm。其作用是固定SM-RPC注漿管及保證安裝垂直度。

圖4 安裝定位法蘭

3.3 SM-RPC注漿管加工與安裝

注漿采用外徑36 mm、內(nèi)徑15 mm、壁厚10.5 mm的SM-RPC管，待襯砌臺(tái)車(chē)定位后，在襯砌混凝土澆筑前，將SM-RPC注漿管從定位法蘭處垂直穿入，上端頂住防水板(在穿入前，SM-RPC注漿管頂端管口應(yīng)切割十字口，深度5 mm，寬度為3 mm)，裁切SM-RPC注漿管多余長(zhǎng)度(圖5)。SM-RPC注漿管的技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 SM-RPC注漿管技術(shù)要求

3.4 注漿固定管連接

SM-RPC注漿管十字切口端與防水板頂緊后，將注漿固定管(變徑管)與定位法蘭連接，達(dá)到固定SM-RPC注漿管的作用，保證注漿管不會(huì)往下掉落(圖6)。

圖6 注漿管固定管安裝

3.5 二襯混凝土澆筑

二襯混凝土應(yīng)對(duì)稱(chēng)澆筑，左右兩側(cè)混凝土面高差不得超過(guò)0.5 m，前后高差不得超過(guò)0.6 m，混凝土澆筑應(yīng)逐窗逐層自模板窗口灌入，由下向上，對(duì)稱(chēng)分層，傾落自由高度不超過(guò)2 m[4]。澆筑拱頂混凝土?xí)r，注漿管作為觀(guān)察口，用以觀(guān)察混凝土是否澆注到拱頂，各注漿管出漿以及端模混凝土飽滿(mǎn)后，認(rèn)為混凝土基本完成沖頂，需用細(xì)鋼筋不斷對(duì)注漿管進(jìn)行清理，避免堵塞。

3.6 注漿料拌制

二襯混凝土澆筑完成2～3 h后進(jìn)行注漿，注漿材料采用微膨脹注漿料(微膨脹緩凝早強(qiáng)充填砂漿)，微膨脹注漿料的水料比宜為0.18～0.20，注漿采用專(zhuān)用的制漿注漿一體機(jī)進(jìn)行操作[5]。漿液要求連續(xù)拌制，拌制過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)控材料用量，確保漿液的質(zhì)量。微膨脹注漿料漿體性能要求見(jiàn)表2。

表2 微膨脹注漿料漿體性能要求

3.7 注漿機(jī)連接

在每根注漿固定管下方通過(guò)連接套管安裝球閥開(kāi)關(guān)，將壓力表上端與球閥相接、下端利用快速接頭與注漿機(jī)軟管連接。

3.8 注漿作業(yè)

(1)將注漿管管頭提升到襯砌臺(tái)車(chē)上，與臺(tái)車(chē)注漿接頭連接。并將注漿管固定到臺(tái)車(chē)上，懸空部分固定到臺(tái)車(chē)側(cè)面。

(2)注漿前應(yīng)對(duì)注漿管路系統(tǒng)用1.5～2.0倍注漿終壓進(jìn)行注水試驗(yàn)，檢查注漿管路系統(tǒng)是否通暢，能否耐壓，有無(wú)漏水，機(jī)械設(shè)備是否正常。

(3)拱頂注漿按照從已襯砌端向端模注漿，注漿開(kāi)始前將所有球閥打開(kāi)。注漿過(guò)程中若其它注漿管漏漿，將其球閥關(guān)閉并繼續(xù)注漿，若當(dāng)前注漿孔壓力達(dá)到1.0 MPa，其它注漿孔及端頭模仍未出濃漿，應(yīng)關(guān)閉球閥更換孔注漿，直至端頭模出漿或所有注漿管注漿壓力均達(dá)1.0 MPa時(shí)暫停注漿，若在10 min內(nèi)壓力未降至0.9 MPa以下，則可終止注漿；若降至0.9 MPa以下，則繼續(xù)注漿[6-7]。

3.9 拆除構(gòu)件、清理現(xiàn)場(chǎng)

注漿結(jié)束后，關(guān)閉球閥，卸下注漿機(jī)軟管與壓力表；清洗注漿機(jī)及注漿軟管，將未使用完的注漿材料拉回到干燥位置貯存，并采取必要的隔離和防潮措施。漿液初凝后卸除定位法蘭及下端構(gòu)件，臺(tái)車(chē)脫模后，敲斷露在外面的SM-RPC注漿管。

4 工程應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況

蒙華鐵路大圍山隧道，屬某單洞單線(xiàn)隧道，全長(zhǎng)8 169 m，采用二襯拱頂帶模注漿技術(shù)(圖7、圖8)，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果顯示，注漿料與襯砌混凝土結(jié)合性良好，脫空率不足1 %(傳統(tǒng)回填注漿的脫空率為6 %左右)。并且，因該技術(shù)無(wú)需單獨(dú)增加注漿工作面，對(duì)其他工序無(wú)干擾，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，注漿直接成本至少每延米隧道節(jié)約120元，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)帶模注漿照片1

圖8 現(xiàn)場(chǎng)帶模注漿照片2

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

與傳統(tǒng)隧道二次襯砌拱頂回填注漿工藝相比，拱頂帶模注漿工藝優(yōu)勢(shì)明顯，見(jiàn)表3。

表3 帶模注漿與回填注漿工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

帶模注漿技術(shù)作為一項(xiàng)新工藝，與傳統(tǒng)的回填注漿相比已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文從蒙華鐵路大圍山隧道的實(shí)際應(yīng)用得出的結(jié)論出發(fā)，在前人研究總結(jié)的基礎(chǔ)上更系統(tǒng)化地對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的工藝原理、工藝流程和操作要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)論述及總結(jié)。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，必將會(huì)更多地應(yīng)用于工程施工中，有效提高工程質(zhì)量，為我國(guó)鐵路隧道建設(shè)保駕護(hù)航。