隧道二襯拱頂脫空預(yù)注漿施工技術(shù)

鐘亮根

(昌九城際鐵路股份有限公司, 江西南昌 330000)

隧道二襯拱頂脫空預(yù)注漿施工技術(shù)

鐘亮根

(昌九城際鐵路股份有限公司, 江西南昌 330000)

二襯拱頂脫空是隧道工程建設(shè)中常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，如何有效控制二襯拱頂脫空成為控制隧道施工質(zhì)量的關(guān)鍵，以消除隧道長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)潛在的安全隱患。文章在分析二襯拱頂脫空成因的基礎(chǔ)上，提出了二襯拱頂預(yù)注漿施工技術(shù)，介紹了施工工藝及其特點(diǎn)、注漿過(guò)程常見(jiàn)問(wèn)題原因分析及對(duì)策，通過(guò)質(zhì)量檢測(cè)，探討了施工質(zhì)量及安全控制措施。最后，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明，實(shí)施預(yù)注漿施工后，二襯拱頂脫空比例由一般的2 %～5 %減少至0.5 %以下，脫空處理效果好，且操作簡(jiǎn)單，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

隧道； 二襯； 拱頂脫空； 預(yù)注漿； 施工技術(shù)

目前，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隧道工程數(shù)量不斷增加，且基本上采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，由于施工工藝的缺陷，二襯拱頂脫空問(wèn)題十分普遍，國(guó)內(nèi)外對(duì)此也有大量的文獻(xiàn)資料。王穎等從混凝土硬化干縮、防水板富余量等方面，對(duì)隧道二襯空洞的成因進(jìn)行了分析，并有針對(duì)性的提出了摻入外加劑、保證松鋪系數(shù)等對(duì)策[1-3]；而王義東等則認(rèn)為，拆模后采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，對(duì)脫空部位采用鉆孔、注漿充填，可以使襯砌背后更加密實(shí)[4-5]，并對(duì)鉆孔注漿的工藝流程及脫空的預(yù)防措施作了闡述；趙國(guó)剛等通過(guò)分析二襯空洞造成襯砌厚度不足、結(jié)構(gòu)受力變化等質(zhì)量缺陷，增加了二襯結(jié)構(gòu)破壞、滲漏水、掉塊、甚至坍塌的安全隱患，給運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)不利影響[6-7]；劉海京等通過(guò)模擬襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖相互作用的應(yīng)力分布情況表明，空洞周圍接觸壓力明顯集中，對(duì)圍巖的應(yīng)力重分布影響較大。因此，許多隧道不得不對(duì)存在空洞的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估，并采取注漿等措施進(jìn)行加固[8-10]。目前，大部分學(xué)者從脫空的成因及其影響、拆模后豎向注漿加固等方面進(jìn)行了研究，而對(duì)預(yù)防性的措施則主要是從施工注意事項(xiàng)方面進(jìn)行了探討，真正從預(yù)注漿等預(yù)處理措施的研究并不多。本文從二襯拱頂背后空洞成因分析入手，探討了二襯拱頂預(yù)注漿施工技術(shù)的工藝特點(diǎn)、注漿過(guò)程種中常見(jiàn)問(wèn)題的原因及處理對(duì)策、質(zhì)量檢驗(yàn)方法、質(zhì)量及安全控制、措施等，并通過(guò)實(shí)例證明，預(yù)注漿施工技術(shù)處理隧道二襯拱頂脫空效果明顯、操作簡(jiǎn)單，且具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 拱頂脫空原因分析

新奧法在隧道施工中得到了普遍應(yīng)用，其一般采用初期支護(hù)、防水層及二襯構(gòu)成復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。二襯基本采用模板臺(tái)車澆注，如圖1所示，澆注工藝為：初期支護(hù)斷面檢查→鋪設(shè)防水層→模板臺(tái)車定位→擋頭模板固定→混凝土澆筑→拆模養(yǎng)生。

混凝土澆筑過(guò)程中，首先通過(guò)模板兩側(cè)的觀察孔向模板內(nèi)泵入混凝土至觀察孔時(shí)封閉，再?gòu)纳弦慌庞^察孔泵入至模板頂部泵送口，壓滿后封閉，拆除泵送管，完成二襯混凝土的澆注。因此，拱頂易出現(xiàn)二襯混凝土不密實(shí)、二襯背后空洞等質(zhì)量缺陷，其主要原因是：

(1)混凝土施工時(shí)存在配合比(坍落度)偏大、振搗不密實(shí)、混凝土自重下沉、混凝土收縮徐變等原因。

(2)混凝土泵送過(guò)程中，部分空氣密閉在狹小的空間內(nèi)無(wú)法排出。

(3)端頭模板安裝不嚴(yán)密、封堵不密實(shí)，導(dǎo)致端頭處出現(xiàn)漏漿，故而形成混凝土不密實(shí)。

(4)防水板(含土工布)掛設(shè)松散系數(shù)不合適，如掛設(shè)太緊，則防水板(含土工布)不能緊貼初支基面，導(dǎo)致其背后的空隙脫空；反之掛設(shè)太松，則板因受擠壓形成褶皺，導(dǎo)致在褶皺間的孔隙空洞。

2 拱頂脫空預(yù)注漿施工技術(shù)

上述原因?qū)е碌亩r背后脫空等質(zhì)量缺陷，給圍巖變形提供了空間，影響混凝土結(jié)構(gòu)受力，給施工及營(yíng)運(yùn)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。而施工時(shí)在二襯拱頂預(yù)留注漿孔，通過(guò)預(yù)留注漿孔注漿填滿空隙，則能避免二襯拱頂脫空，達(dá)到混凝土飽滿的效果。

2.1 施工工藝

2.1.1 作業(yè)準(zhǔn)備

2.1.1.1 注漿材料

注漿漿液采用1∶1普通硅酸鹽水泥漿液，每盤注漿料采用50 kgP.O 42.5硅酸鹽水泥及50 kg水進(jìn)行攪拌。

2.1.1.2 機(jī)械設(shè)備

注漿機(jī)械包括注漿泵、攪拌機(jī)以及配套的高壓膠管、壓力表，一個(gè)作業(yè)面配置一套注漿機(jī)械。注漿泵應(yīng)有足夠的排漿量，泵壓大于最大注漿壓力的1.2～1.5倍，使用單液注漿泵即可滿足施工要求；攪拌機(jī)使用常用的立式葉片輪攪拌機(jī)，容積不小于200 L；高壓膠管使用φ25 mm的高壓膠管；壓力表必須經(jīng)過(guò)檢定合格方可使用。

2.1.1.3 注漿管埋設(shè)

現(xiàn)場(chǎng)加工制作注漿管，注漿管采用φ20 mm聚乙烯管或PVC管，注漿管每隔10 cm設(shè)置螺旋切口，切口周長(zhǎng)為管周長(zhǎng)的1/2～1/3，安裝時(shí)切口朝上；注漿管外露部分采用Φ20 mm鍍鋅鋼管與注漿管采用絲扣連接，并在鍍鋅管尾部連接止?jié){閥。在注漿管底部連接排氣管，以確保注漿過(guò)程中排出二襯混凝土澆筑過(guò)程中密封的空氣，排氣管與注漿管采用膠帶綁在一起。

每循環(huán)襯砌臺(tái)車定位前，將縱向注漿管設(shè)于正拱頂緊貼防水板(防水板內(nèi)側(cè)，襯砌外邊緣)，采用防水板條(5 cm寬、15 cm長(zhǎng))焊接固定在防水板內(nèi)側(cè)，防水板條固定位置縱向間距70～80 cm，縱向注漿管結(jié)合環(huán)向施工縫在拱頂位置通長(zhǎng)布置?？v向注漿管預(yù)埋時(shí)，將止?jié){閥一端預(yù)留至襯砌端頭模板外，以便在混凝土施工后立即對(duì)該段襯砌進(jìn)行注漿處理(圖2)。

2.1.2 工藝流程

工藝流程如圖3所示。

在混凝土澆筑完成后，立即對(duì)本循環(huán)襯砌進(jìn)行注漿，注漿過(guò)程中，排氣管及豎向注漿管冒漿時(shí)，采用止?jié){塞封閉排氣管及豎向注漿管后，采用0.4 MPa壓力持續(xù)壓漿8 min后停止注漿。

注漿結(jié)束后待混凝土終凝后脫模，進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描檢測(cè)，若掃描結(jié)果正常，則進(jìn)行下一板二襯施工。如掃描仍存在脫空現(xiàn)象，這針對(duì)脫空部位進(jìn)行二次注漿，二次注漿為通過(guò)豎向注漿管注漿輔以局部開(kāi)孔注漿的方式。

2.1.3 操作要點(diǎn)

2.1.3.1 準(zhǔn)備工作

(1)材料數(shù)量、種類是否齊全，品質(zhì)是否保證；

(2)機(jī)具是否齊備、完好；

(3)供水、供電是否齊全、方便；

(4)按配方稱量漿體材料；

(5)按要求連接裝好注漿機(jī)械各部件。

2.1.3.2 攪拌水泥漿

攪拌要求：攪拌水泥漿之前，加水空轉(zhuǎn)數(shù)分鐘，將積水倒凈，使攪拌機(jī)內(nèi)壁充分濕潤(rùn)。攪拌好的灰漿要做到基本卸盡。在全部灰漿卸出之前不得再投入未拌合的材料，更不能采取邊出料邊進(jìn)料的攪拌方法。

(1)首先將稱量好的水、水泥倒入攪拌機(jī)中，每盤料使用50 kg水泥、50 kg水，攪拌時(shí)間不低于60 s；

(2)水泥漿出料后應(yīng)盡量馬上泵送，否則要不停地?cái)嚢瑁?/p>

(3)必須嚴(yán)格控制用水量，否則多加的水全部泌出，易造成管道頂端有空隙；

(4)對(duì)未及時(shí)使用而降低了流動(dòng)性的水泥漿，嚴(yán)禁采用增加水的辦法來(lái)增加灰漿的流動(dòng)性。

2.1.3.3 注漿

(1)將水泥漿液加入注漿泵中，在注漿泵的高壓橡膠管出口打出漿體，待漿體濃度與注漿泵中的濃度一樣時(shí)，關(guān)掉注漿泵，將高壓橡膠管接到注漿管上，連接牢固；

(2)啟動(dòng)注漿泵，打開(kāi)止?jié){閥，開(kāi)始注漿；

(3)注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa，采用逐級(jí)加壓式注漿，注漿速度控制在30～60 L/min；

(4)觀察排氣管的出漿情況，當(dāng)漿體稠度和注入之前一樣時(shí)，關(guān)掉排氣閥，繼續(xù)持壓8 min，使管道內(nèi)有一定的壓力，最后關(guān)掉止?jié){閥；

(5)注漿工作宜在灰漿流動(dòng)性沒(méi)有下降的30 min內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。

2.1.3.4 清洗

拆下注漿管，清洗注漿泵、攪拌機(jī)、閥門以及粘有灰漿的工具。

2.1.4 技術(shù)資料管理

注漿過(guò)程中，技術(shù)及試驗(yàn)人員全程監(jiān)控記錄，記錄的主要內(nèi)容為注漿時(shí)間、注漿里程段落、注漿壓力、注漿量以及注漿過(guò)程中的其他問(wèn)題，并留下書面記錄資料和影像資料，便于分析注漿功效，對(duì)注漿效果檢查評(píng)定亦有著重要的參考作用。

2.2 工藝特點(diǎn)

二襯預(yù)注漿工藝是二襯施工時(shí)在拱頂預(yù)留注漿管，注漿管沿一板二襯長(zhǎng)度通長(zhǎng)布置，注漿口設(shè)在端頭處，二襯混凝土澆筑完畢后馬上進(jìn)行注漿，這種注漿方式是縱向注漿、主動(dòng)注漿，既能夠填滿二襯拱頂?shù)目障叮挚梢员ＷC漿液與二襯混凝土有效結(jié)合成為一個(gè)整體。

其主要特點(diǎn)如下：

(1)為縱向注漿，通過(guò)二襯端頭預(yù)留的注漿管注漿填滿二襯拱頂空隙，達(dá)到混凝土密實(shí)的效果。

(2)在混凝土凝固前注漿，漿液容易填滿空隙，并且能與二襯混凝土形成整體，減少干縮空隙。

(3)充分利用二襯臺(tái)車作業(yè)，使用機(jī)具設(shè)備均為常規(guī)機(jī)具設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，施工工藝容易掌握，便于推廣應(yīng)用。

(4)與傳統(tǒng)的豎向注漿相比，本工藝不需要專用注漿臺(tái)架，二襯施工完直接注漿，處理拱頂脫空效果明顯，減少了大量后期處理的費(fèi)用，省工省時(shí)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 注漿過(guò)程種常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策

注漿過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題有注漿管理堵塞、漏漿等，具體原因及處理對(duì)策見(jiàn)表1。

2.4 質(zhì)量檢驗(yàn)與控制措施

2.4.1 檢驗(yàn)方法

(1)直接觀察。拆除二襯端頭模板后，觀察端頭注漿管附近漿液充盈度，看漿液是否將拱頂?shù)目障度砍涮?，注漿管內(nèi)漿液是否填滿。

(2)地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)。臺(tái)車移開(kāi)后使用地質(zhì)雷達(dá)掃描二襯拱頂，根據(jù)掃描結(jié)果分析是否拱頂還有脫空部位，然后根據(jù)掃描結(jié)果確定下一步處理辦法。

2.4.2 質(zhì)量控制措施

(1)注漿材料要滿足試驗(yàn)要求，嚴(yán)禁使用過(guò)期或者結(jié)塊水泥；

(2)漿液要攪拌均勻，未攪拌均勻或沉淀的將夜嚴(yán)禁使用；

(3)注漿過(guò)程中要時(shí)刻注意壓力和流量變化，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)要查找原因，并及時(shí)處理；

(4)注漿過(guò)程要連續(xù)進(jìn)行，注漿泵發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)立即換用備用泵繼續(xù)注漿；

(5)注漿過(guò)程中要保持注漿管路暢通，防止因管路堵塞而影響注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的判斷；

(6)嚴(yán)格執(zhí)行注漿效果檢查評(píng)定，符合要求時(shí)才能結(jié)束注漿作業(yè)；

(7)嚴(yán)格做好注漿過(guò)程記錄，為效果分析提供數(shù)據(jù)支撐；

(8)注漿結(jié)束后，應(yīng)對(duì)注漿泵及管路進(jìn)行清洗，以保證下次注漿順利進(jìn)行。

2.5 安全控制措施

施工時(shí)重點(diǎn)要做好以下幾方面的安全防范工作：

(1)注漿管路及連接件必須使用耐高壓裝置，防止管路和連接裝置爆裂傷人；

(2)孔口管、止?jié){閥要安裝牢固，施工期間嚴(yán)禁人員站在其沖出方向前方，防止沖出傷人；

(3)注意機(jī)械設(shè)備使用、保養(yǎng)、維修，注意用電安全，非專業(yè)人員嚴(yán)禁拆卸設(shè)備；

(4)拱頂注漿屬高空作業(yè)，要嚴(yán)格執(zhí)行高空作業(yè)有關(guān)規(guī)定，尤其是臺(tái)車防護(hù)欄桿必須按要求做好，防止人員高空墜落；

(5)發(fā)生管路堵塞時(shí)，要仔細(xì)查找原因，妥善處理，嚴(yán)禁直接拆卸管路，防止?jié){液噴出傷人。

3 效益分析

合?？蛯Ｌ以此淼廊L(zhǎng)4 467 m，位于江西省上饒市婺源縣境內(nèi)，2011年10月份施工完畢的二襯有3 580 m，經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)掃描檢測(cè)，拱頂背后脫空比例為3.7 %，2012年4月份開(kāi)始采用二襯預(yù)注漿技術(shù)后，拱頂背后脫空比例減少為0.4 %，脫空百分比減少3.3 %，效果明顯，地質(zhì)雷達(dá)掃描結(jié)果如圖4、圖5所示。在施工過(guò)程中，通過(guò)主動(dòng)注漿解決了二襯拱頂脫空的問(wèn)題，節(jié)約了后期處理的施工臺(tái)架和裝載機(jī)配合費(fèi)用，通過(guò)測(cè)算，每1 km二襯可節(jié)約脫空處理費(fèi)用6.5萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。同時(shí)，竣工驗(yàn)收一次性通過(guò)率高，社會(huì)效益良好。

4 結(jié)論

在二襯施工過(guò)程中，通過(guò)拱頂預(yù)注漿施工技術(shù)可解決大部分二襯背后脫空等質(zhì)量缺陷。與傳統(tǒng)的豎向注漿比較，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)主動(dòng)縱向式注漿，注漿口設(shè)在端頭處，注漿管沿二襯長(zhǎng)度通長(zhǎng)布置，二襯混凝土澆筑完畢后立刻進(jìn)行注漿，孔隙填充效果較好，且易與二襯混凝土形成整體，減少干縮空隙，從而達(dá)到混凝土密實(shí)的效果。

(2)預(yù)注漿施工充分利用二襯臺(tái)車作業(yè)，無(wú)需專用注漿臺(tái)架，節(jié)約了后期處理需投入的人員、設(shè)備及相關(guān)費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(3)實(shí)例表明，預(yù)注漿后二襯拱頂脫空比例由一般的2 %～5 %減少至0.5 %以下，一次性交驗(yàn)通過(guò)率高，避免了質(zhì)量缺陷帶入運(yùn)營(yíng)階段，社會(huì)效益良好。

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鐘亮根(1984～)，男，碩士研究生，工程師，從事鐵路工程建設(shè)管理工作。

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[定稿日期]2017-04-20