隧道襯砌拱頂脫空與空洞回填工藝優(yōu)化

唐思偉 石照輝 禹化偉

(中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

近十幾年，我國高鐵工程取得了全球矚目的成績，其中，作為重要組成部分的隧道工程也取得顯著進(jìn)展，但也存在一些缺陷，如隧道存在拱頂脫空與空洞的現(xiàn)象[1,2]，其嚴(yán)重影響隧道的安全性，危及行車安全，因此，隧道襯砌拱部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量引起廣泛關(guān)注[3,4]。

按照現(xiàn)有規(guī)定[5]，襯砌背后大于10 cm深度的未回填部分認(rèn)定為空洞[6]。同時，為保證隧道拱頂安全，隧道襯砌背后回填整治工作，在2019年發(fā)布普通鐵路、高速鐵路驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與施工規(guī)范中均有明確規(guī)定[7]，同時在工程界也成為了廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)[8,9]。

襯砌拱部混凝土的收縮變形是產(chǎn)生脫空與空洞的重要原因。對于常見的公路隧道或高鐵隧道，模板臺車設(shè)計(jì)長度多為12 m左右，混凝土單次澆筑方量約在120 m3。隧道襯砌臺車澆筑工藝，要求混凝土有很高的流動性，甚至是液態(tài)混凝土，襯砌混凝土相對于普通混凝土，其更易于產(chǎn)生收縮(如塑性收縮、化學(xué)收縮、自收縮、干燥收縮、溫度收縮及碳化收縮等)[10]，導(dǎo)致成品襯砌混凝土體積較澆筑時體積縮小1%～2%，折合每模襯砌約有1.2 m3～2.4 m3背后空隙體積，形成脫空與空洞。

1 注漿材料評價

1.1 水泥凈漿

水泥凈漿的水灰比通常為0.4～1.0，其性能見表1。隨水灰比的降低，漿液的粘性急劇增大，不易攪拌均勻。因此，當(dāng)水灰比為0.4～0.6時，漿液流動度大幅下降，需要補(bǔ)充減水劑(PCE)以提高流動性。

對于水泥凈漿，結(jié)石率是重要的評價指標(biāo)。結(jié)石率是指漿液硬化后體積占原液態(tài)漿液總體積的百分比。由表1數(shù)據(jù)可知，漿液的結(jié)石率隨水灰比的增加快速減小，若采用水灰比1.0的凈漿注漿，盡管能完全注滿空隙，待漿液硬化后仍有30%新的空隙形成，導(dǎo)致多次補(bǔ)漿的工藝缺陷。

表1 水泥凈漿性能分析

選擇水泥凈漿為注漿材料時，水泥凈漿的強(qiáng)度也需關(guān)注。因?yàn)樗淼酪r砌強(qiáng)度一般為C30或C35，為減少空洞現(xiàn)象，回填漿液的強(qiáng)度不應(yīng)低于襯砌本體強(qiáng)度[16]。從表1可以看到，水泥凈漿的水灰比應(yīng)小于0.6。

因此，隧道背后回填注漿采用水泥凈漿時，水泥凈漿的水灰比不得超過0.6。由于具有流動度好，使用方便，成本低廉的特點(diǎn)，水泥凈漿多被現(xiàn)場施工采用。

1.2 水泥砂漿

為預(yù)防空洞產(chǎn)生，必須嚴(yán)格控制水泥砂漿的收縮率。從表2可以看到，隨著水灰比的減小，水泥砂漿的收縮率逐漸減小，故注漿應(yīng)盡量選用水灰比小的水泥砂漿。

表2 水泥砂漿性能分析

結(jié)合表2中水泥砂漿強(qiáng)度的發(fā)展，在進(jìn)行隧道背后回填注漿時，水泥砂漿的水灰比一般選為0.55以內(nèi)，以減小回填漿液與襯砌本體的強(qiáng)度差別。

1.3 專用注漿料

某鐵路建設(shè)公司設(shè)計(jì)了一種專用注漿材料，其關(guān)鍵參數(shù)見表3。

“知人”雜說（吳語） ...................................................................................................................................3-44

從表3可以看到，該專用注漿料為大流動度、大比重、高強(qiáng)膨脹的砂漿，可以解決現(xiàn)有水泥凈漿和水泥砂漿強(qiáng)度較低、收縮率較大的問題，在隧道背后回填注漿時可以有效避免空洞現(xiàn)象。

1.4 特種膨脹注漿砂漿

特種膨脹注漿砂漿與普通水泥砂漿相比，具有以下技術(shù)要求：

1)砂為特細(xì)砂或干法工藝機(jī)制砂(未除塵)；

2)必須使用早強(qiáng)型膨脹劑，比如硫鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鈣類膨脹劑[17]；

3)必須采用消泡型粉體減水劑，減水劑引氣性低于1.0%；

4)應(yīng)添加微量的慢發(fā)泡成分，比如鋁粉膏等工業(yè)特種產(chǎn)品，使?jié){液在塑性期間產(chǎn)生微量膨脹；

5)應(yīng)摻加微量的纖維素或木質(zhì)素纖維，以增加砂漿的粘度。

表3 專用注漿料性能表

從表4數(shù)據(jù)可以看到，特種膨脹砂漿具有不泌水、微膨脹、后期強(qiáng)度增長幅度大等顯著特征，可以避免隧道背后回填注漿產(chǎn)生空洞，逐漸成為理想的回填注漿材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

表4 特種膨脹砂漿性能分析

2 注漿工藝分析

2.1 帶模注漿

帶模注漿選在襯砌混凝土澆筑結(jié)束，且混凝土初凝時間之前，一般在2 h～3 h注漿，以確保漿液與新澆筑混凝土表面融合，以提高整體強(qiáng)度。

2.2 后退式帶模注漿

因后退式注漿拔管的需要，后退式帶模注漿一般選在襯砌混凝土澆筑結(jié)束1.5 h以內(nèi)，與帶模注漿工藝相比，后退式注漿覆蓋面大，注漿效果顯著提升。

2.3 工后注漿

多數(shù)情況下，目前的隧道管理現(xiàn)狀往往在襯砌完工后進(jìn)行檢測，檢測有缺陷再進(jìn)行處理，這就使得工后注漿成為最普遍的脫空及空洞缺陷治理方法。

工后注漿采用不同注漿材料時易出現(xiàn)以下技術(shù)缺陷：

1)水泥凈漿結(jié)石率不高，且流失嚴(yán)重；

2)因操作的方便性問題，水泥砂漿較少被采用；

3)專用注漿材料顆粒細(xì)小，且類似水泥的包裝，使用方便，但實(shí)際使用過程中仍有類似凈漿的流動性過大易流失的缺陷；

4)特種膨脹砂漿性能較好，對配制的技術(shù)和操作水平要求較高，未能廣泛應(yīng)用。

3 注漿工藝優(yōu)化

結(jié)合注漿材料的分析，本文以能完全達(dá)到理想的注漿效果為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算一個注漿隊(duì)伍所承擔(dān)的約3 km隧道的整治任務(wù)的投入，以分析注漿方案的合理性。注漿量按每模12 m襯砌2 m3估算，同時，考慮二次甚至是多次整治的材料、人工投入修正，具體經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)見表5。

表5 注漿方案成本分析 萬元

由表5可知，每完成3 km隧道襯砌脫空及空洞整治，按消耗成本從高到低排序?yàn)椋?/p>

工后注漿料注漿>帶模注漿>工后凈漿注漿>帶模砂漿注漿>后退注漿>工后砂漿注漿。成本投入最大值為最小值的6倍。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，優(yōu)選工后砂漿注漿工藝，砂漿按配合比現(xiàn)場計(jì)量。但是砂漿材料組成多樣，計(jì)量繁瑣，且砂需要過篩等問題，造成了現(xiàn)場工人非常抵制這種注漿方法的現(xiàn)狀。為避免此情況，可在隧道開工之初選擇后退注漿工藝。

4 結(jié)論

1)隧道背后回填注漿材料應(yīng)選用專用注漿料或特種膨脹注漿砂漿；

2)注漿工藝應(yīng)盡量選擇工后注漿工藝，然后再考慮后退注漿工藝。