某鐵路隧道仰拱變形加固處理措施

王景瑞 王永柱 李孟雷 宋 帥 蘭小華

1.天津泰科巖土工程有限公司 天津 300251

2.中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司 遼寧 沈陽 111000

正文：

1 工程概況

1.1 工程概況

某鐵路隧道位于遼寧省喀左縣境內(nèi)，隧道全長9490m。隧道貫通后，經(jīng)澆筑底座板及自密實混凝土，并完成鋪軌。在進(jìn)行軌道精調(diào)小車靜態(tài)數(shù)據(jù)采集時，發(fā)現(xiàn)該隧道仰拱部分區(qū)域出現(xiàn)疑似上拱的情況，最大上拱量為9.6mm。

經(jīng)分析，隧道的施工擾動，改變了隧道圍巖的地層及水文地質(zhì)環(huán)境，打破了原有平衡，基底圍巖主要是凝灰質(zhì)砂巖，巖體破碎，具有膨脹性，這一環(huán)境的變化，從而造成具有一定膨脹性的隧道基底地層發(fā)生不均勻變形，引起隧道仰拱變形。

由于高鐵在運行過程中，對路基的平整度要求極高，因此，對出現(xiàn)地基變形的區(qū)域，需采取相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行處理，將其變形量控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

1.2 工程地質(zhì)情況

1.2.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧道巖性復(fù)雜，多角度不整合接觸。不整合接觸結(jié)構(gòu)面巖性較差，較破碎，具有膨脹性。

1.2.2 地層巖性

隧道地層巖性如下：

侏羅系中統(tǒng)土城子組（J2t）凝灰質(zhì)礫巖。褐黃色，褐灰色，全風(fēng)化～弱風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育～較發(fā)育，巖體破碎，呈塊石碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu);局部夾凝灰?guī)r、礫巖等。

侏羅系中統(tǒng)藍(lán)旗組（J2l）凝灰?guī)r。褐黃色，褐灰色，弱風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整～較破碎;局部夾凝灰質(zhì)砂巖、礫巖等。

侏羅系中統(tǒng)藍(lán)旗組（J2l）凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，碎屑結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

紅山隧道DK317+830～DK318+080段所在段落地層巖性如下：

侏羅系中統(tǒng)土城子組（J2t）凝灰質(zhì)礫巖。褐黃色，褐灰色，全風(fēng)化～弱風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育～較發(fā)育，巖體破碎，呈塊石碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu);局部夾凝灰?guī)r、礫巖等。

侏羅系中統(tǒng)藍(lán)旗組（J2l）凝灰?guī)r。褐黃色，褐灰色，弱風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整～較破碎;局部夾凝灰質(zhì)砂巖、礫巖等。

侏羅系中統(tǒng)藍(lán)旗組（J2l）凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，碎屑結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

1.2.3 水文地質(zhì)條件

隧道區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水。

基巖裂隙水分布較廣，含于基巖風(fēng)化帶、風(fēng)化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中，水位和水量受季節(jié)降雨量影響明顯。

隧道區(qū)位于丘陵區(qū)，該區(qū)有凝灰質(zhì)礫巖及白云質(zhì)灰?guī)r，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，為大氣降水入滲創(chuàng)造了良好條件。

地下水在得到降水等入滲補(bǔ)給后即沿孔隙或裂隙自高而低作水平運移，水力坡度較大，隧道區(qū)地下徑流條件較好。

2 總體整治方案

2.1 加固方案

從地質(zhì)資料可以看出，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，存在不整合接觸帶，基底圍巖主要是凝灰質(zhì)砂巖，巖體破碎，具有膨脹性，再加上開挖隧道后地下水環(huán)境改變，鋪軌后，經(jīng)檢測有最大上拱量為9.6mm。

為控制仰拱變形量在規(guī)范允許范圍內(nèi)，經(jīng)相關(guān)單位研究后決定采用主要以預(yù)應(yīng)力錨桿和袖閥管注漿相結(jié)合的方式進(jìn)行處理。

先施工預(yù)應(yīng)力錨桿的作用為拉住軌道板，防止注漿壓力作用和泥灰?guī)r膨脹作用上拱；袖閥管注漿的作用是改變地下水環(huán)境，降低地基中的含水率，修復(fù)基底因施工預(yù)應(yīng)力錨桿對地基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞，同時，采用雙液注漿更能有效加固因開挖隧道后地下水環(huán)境改變造成的基底軟弱地層。

具體處理方案為：

1）需要對仰拱變形進(jìn)行控制，采取預(yù)應(yīng)力錨桿與鋼質(zhì)袖閥管注漿組合措施。

預(yù)應(yīng)力錨桿的布孔：預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)（全長粘結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨桿）設(shè)計荷載為200kN，錨桿采用φ32 高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，按照錨固端長度深入基巖5m 控制，每個斷面共計4處，縱向布孔間距2m（如圖1所示）。

袖閥管注漿的布孔：仰拱上拱段設(shè)置Φ89鋼質(zhì)袖閥管，按照錨固端長度穿透軟弱層不小于4m控制，分別布設(shè)在軌道板兩側(cè)，每個斷面共計4處，縱向間距2m（如圖1所示）。

圖1 鉆孔平面布置圖（部分）

2）為增強(qiáng)整體受力，設(shè)置縱梁，與預(yù)應(yīng)力錨桿、袖閥管形成共同受力體系。

配合鋼質(zhì)袖閥管，設(shè)置4處縱梁，設(shè)置在軌道底座板兩側(cè)，縱梁高度30cm，寬30cm。鋼質(zhì)袖閥管管頂嵌入縱梁20cm，并與縱梁主筋有效焊接。袖閥管注漿采用水泥漿，注漿壓力0.2～0.5MPa?？v梁每12m設(shè)置一道施工縫，與仰拱及二襯的縫對齊； 如圖2所示：

圖2 基底縱梁示意圖

3）增強(qiáng)墻腳承載能力，減小仰拱承載壓力，采取控制性注漿措施。

隧道兩側(cè)墻腳進(jìn)行控制性注漿，由兩側(cè)水溝分別向下打設(shè)注漿孔，深度按入巖1.0m控制，注漿孔按照擴(kuò)散半徑1.5m設(shè)計，注漿孔縱向間距1.5m。注漿管采用Φ50mm袖閥管，注漿采用水泥漿，注漿壓力0.2～0.5MPa。如圖3所示。

4）為防止中心水溝中水由管縫、仰拱、仰拱填充縫處下滲，對該段基底下水環(huán)境造成影響，重新施作該段中心水溝，采用現(xiàn)澆工藝。如圖4所示。

5）為防止隧道開挖后，地下水流場改變，沿隧道仰拱底部形成滲流，在上拱段高洞口端頭基底注漿形成止水帷幕，減少地下水順仰拱底部從高端向低端的滲流。

圖3 墻腳控制性注漿示意圖

圖4 現(xiàn)澆中心水溝斷面圖

2.2 施工方法及措施

在以上的措施中，設(shè)置縱梁、中心水溝為常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其做法不在此細(xì)述；對預(yù)應(yīng)力錨桿和袖閥管注漿的施工方法及措施介紹如下。

因隧道內(nèi)已經(jīng)鋪軌完成，為了滿足鉆機(jī)施工作業(yè)要求，鉆孔采用潛孔鉆機(jī)，吊車配合平板機(jī)車運至作業(yè)現(xiàn)場。空壓機(jī)擺放在平板車上，連接管路到鉆機(jī)。注漿設(shè)備及材料放置在兩線底座板間，在現(xiàn)場就近進(jìn)行套殼料、注漿液的制備。

2.2.1 預(yù)應(yīng)力錨桿施工

2.2.1.1 施工工序

確定孔位→鉆孔就位→調(diào)整角度→鉆孔→清孔→安裝錨桿→一次注漿→張拉→錨頭鎖定→二次補(bǔ)漿，對錨頭進(jìn)行保護(hù)。

2.2.1.2 施工措施及要求

預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)（全長粘結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨桿）設(shè)計荷載為200kN，錨桿采用φ32高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋。高強(qiáng)精軋螺紋鋼的級別為PSB1080，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度≥1080MPa，抗拉強(qiáng)度≥1230MPa。如下圖所示（圖5）

圖5 預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

沿錨桿軸線方向每隔1.5～2.0m設(shè)置一個對中器，對中器綁扎定位，要求保證錨桿的保護(hù)層厚度。

預(yù)應(yīng)力錨桿采用兩次注漿方法，即錨固段為第一次注漿，在張拉段和錨固段交接部位通過設(shè)置對稱雙止?jié){袋阻隔，兩止?jié){袋間隔50cm，間隔段150cm錨桿體采用噴鋅0.2mm、變性環(huán)氧涂層0.2mm、外加6mm厚橡膠套管封閉的防腐處理措施。張拉段為第二次注漿，待錨桿張拉鎖定后壓注。

止?jié){袋內(nèi)外端頭可密封綁附于兩個對中器的內(nèi)外端套筒上，且在靠張拉段側(cè)套筒與錨桿膠裹密塞。

注漿材料采用M40水泥砂漿。

錨桿的張拉：錨桿的錨固段強(qiáng)度應(yīng)大于15MPa并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的75%后就就行張拉；考慮對鄰近錨桿的影響，事先制定好張拉順序；錨桿張拉時，錨桿桿體應(yīng)力不超過錨桿桿體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的0.75倍（922.5MPa）；錨桿張拉至設(shè)計荷載的0.9～1.0倍后，再按設(shè)計要求鎖定。

錨墊板的安裝：應(yīng)對錨桿墊板安裝位置以錨桿為中心，切鑿出方形坑槽，坑槽尺寸為：比錨墊板長寬各大1CM，深度約10CM ，其中錨桿外露最大長度為5～7CM，封口砂漿厚度3CM，封口高度與原混凝土基面齊平，封口材料為高強(qiáng)M50修補(bǔ)砂漿；

2.2.2 袖閥管注漿施工

2.2.2.1 施工工序

注漿加固處理施工程序為：施工準(zhǔn)備→測量放樣→鉆進(jìn)成孔→制備注入套殼料→安裝剛性袖閥管→制備注漿液→注漿→注漿效果檢測→（注漿→）封孔。

2.2.2.2 施工方法及要求

在鉆孔過程中，由于地下水含量豐富、地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，受到擾動出現(xiàn)嚴(yán)重的塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿和袖閥管不能一次性下至設(shè)計深度，經(jīng)研究決定采用雙液注漿，分兩到三次成孔的施工方法，具體實施情況如下：

第一次鉆孔后，下套殼料，安裝PVC袖閥管，一般能安裝到設(shè)計深度的1/2，然后采用雙液注漿工法注漿。

雙液注漿，即采用水泥漿和水玻璃溶液兩種材料，改變水玻璃濃度和摻量能控制水泥漿的初凝時間，理論可調(diào)范圍3S～19500S，此次施工中按照需要調(diào)控初凝時間60S～120S。雙液注漿在地下水豐富的地層中能迅速凝固，有效的減小水流動對水泥漿液沖刷和稀釋的影響，從而能在短時間內(nèi)改變原土體的土性，達(dá)到阻水、使原不穩(wěn)定地層穩(wěn)定。

注漿完成后，再對原孔位重新鉆孔，下套殼料、安裝PVC袖閥管，注雙液漿；注漿完成后，再進(jìn)行第三次鉆孔，直至設(shè)計深度。

鉆孔孔徑為125mm，注漿采用鋼性袖閥管（規(guī)格Φ89*5.0mm）。袖閥管每根長3m，地面以下部分每1m鉆4個Φ1cm溢漿孔，兩兩對稱，安裝特制橡皮套，在鋼質(zhì)袖閥管安裝橡皮套的位置，做成凹槽，以防止橡皮套滑動移位；每根鋼管連接采用絲扣連接。注漿管管頂以下2.0m深處開始開孔。

套殼料采用膨潤土和水泥配制，配比范圍一般為水泥：粘土：水=1:1.5:1.88（重量比），漿液比重約為1.5，漏斗粘度24～26。

鉆孔完畢后，及時在孔內(nèi)注入套殼料，并隨即進(jìn)行鋼性袖閥管安裝。套殼料的作用是在袖閥管周圍形成具有一定強(qiáng)度的保護(hù)層，當(dāng)漿液進(jìn)入注漿管時，在壓力作用下，橡皮帽被頂起，隨著漿液的聚集，壓力達(dá)到一定程度后，注漿管外側(cè)的橡皮帽被脹開，套殼料被擠碎，從而漿液被擠壓到地層中，而上部和下部的套殼料仍具有一定強(qiáng)度，可以阻止?jié){液的上下流動，這樣漿液就只在一定范圍橫向流動，并防止袖閥管在注漿過程中變形、變位造成損壞。

雙液漿選用水泥、水玻璃溶液組成的混合漿液，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水玻璃波美度為25，雙液漿配合比要求：水灰比為0.8，水泥漿和水玻璃以2比1的體積比，利用雙管傳輸系統(tǒng)在孔口混合注漿。

制漿使用不小于20轉(zhuǎn)/分鐘的制漿機(jī)，攪拌時間不低于2分鐘，不宜大于6分鐘。出漿孔設(shè)置100目的過濾網(wǎng)。

在施工注漿時，其順序采用先外后內(nèi)，先下后上，隔孔注漿。注漿方式采用后退式分段注漿，注漿分段步距100cm，采用注漿壓力（0.2～0.5MPa）進(jìn)行控制，每孔注漿次數(shù)，原則上不受限制，一般以1～4次注滿為宜。

按照設(shè)計要求，嚴(yán)格分批分次、按順序進(jìn)行注漿。為防止相鄰兩孔竄漿，采用隔孔注漿。

輸漿管及接口連接完好，無破裂、無漏漿，確保輸漿壓力不損失。注漿控制壓力控制在0.2～0.5MPa，注漿漿液濃度以可注性為準(zhǔn)，根據(jù)氣候溫度，配合比的用水量，以適應(yīng)泵、注漿管的承受能力為準(zhǔn)，增減量不得大于10%，水質(zhì)要清潔。

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，注漿壓力逐步升高至0.5Mpa，則繼續(xù)穩(wěn)定注漿5min以上即可；周圍有漏漿的馬上停泵，拔管。

每孔灌漿結(jié)束后，用砂礫石摻入15%微膨脹水泥與水?dāng)嚢璺饪?，緩慢注入孔?nèi)，防止堵塞，出現(xiàn)空段。

3 質(zhì)量檢測

3.1、錨桿、注漿效果的檢測：

⑴、錨桿的檢測：單根錨桿拉拔試驗值均≥120KN，抽檢頻率為錨桿總根數(shù)的20%，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

⑵、注漿效果檢測：在注漿全部結(jié)束14天后，通過鉆芯法對注漿效果進(jìn)行檢驗，抽取頻率為總孔數(shù)量3%，通過分析、試驗所鉆取的芯樣，注漿效果的完整和致密性均良好。

3.2、軌道檢測：經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨桿和袖閥管注漿加固處理后，進(jìn)行軌道精調(diào)小車靜態(tài)檢測，所檢測的數(shù)據(jù)如下表所示（部分區(qū)段的數(shù)據(jù)）：

在處理之前的檢測數(shù)據(jù)中，最大的上拱量為9.6mm，分析以上檢測數(shù)據(jù)可以看出，在加固處理一個月的時間后，最大上拱量為0.49mm，測點為0317840S3，最大下沉量為0.34mm，測點為0317864S5，其檢測數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié)語

4.1 通過本工程實例，在具有膨脹性凝灰質(zhì)砂巖等復(fù)雜地質(zhì)條件下，采取預(yù)應(yīng)力錨桿與鋼質(zhì)袖閥管注漿相接合的處理措施，能有效對鐵路隧道仰拱變形進(jìn)行處理，使變形達(dá)到可控。

4.2 當(dāng)遇地下水含量豐富、地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，進(jìn)行袖閥管注漿時，受到擾動易出現(xiàn)嚴(yán)重的塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿和袖閥管很難下至設(shè)計深度。

施工時，可采用雙液注漿，即漿液除水泥外，再摻入其它化學(xué)漿液，能有效的控制漿液的凝固時間，在極短的時間內(nèi)能起到快速凝固，通過兩到三次成孔的施工方法，能有效的解決在富水、軟弱、地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定土層中的鉆孔難問題，是一項值得推廣的施工技術(shù)。