單線鐵路隧道襯砌拱頂縱向帶模注漿技術(shù)研究

賀兆鵬

摘要：文章針對(duì)傳統(tǒng)襯砌拱頂帶模注漿工藝存在的不足，結(jié)合敘畢鐵路隧道施工實(shí)例，開展了單線鐵路隧道襯砌拱頂帶?？v向注漿技術(shù)研究，介紹了該技術(shù)機(jī)理與施工工藝要點(diǎn)，并評(píng)述了該技術(shù)應(yīng)用的合理性，為后續(xù)鐵路隧道帶模注漿作業(yè)提供了可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道;襯砌;拱頂;預(yù)設(shè);帶模;縱向;注漿;施工

中圖分類號(hào)：U459.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.037

文章編號(hào)：1673-4874（2019）08-0133-05

0引言

敘畢鐵路2標(biāo)位于川滇兩省交界山區(qū)，正線線路全長(zhǎng)36。393km。有隧道8座共29697m，占線路全長(zhǎng)的81.6%，均為單線小斷面隧道，且斑竹嶺、歐家灣等隧道為高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤層以及煤礦采礦區(qū)域。瓦斯氣體易燃易爆，且存在瓦斯突出、爆炸等不確定性與模糊性，存在極大施工安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火管理要求嚴(yán)格。為確保安全，最大程度地避免產(chǎn)生火花、明火等安全風(fēng)險(xiǎn)等行為。

傳統(tǒng)襯砌拱頂帶模注漿工藝存在著自身質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)：徑向注漿存在注漿管頂破防水板的情況，且使用的水浸法需完成通電工作，易產(chǎn)生火花，存在安全風(fēng)險(xiǎn);縱向注漿常因?yàn)闆]有較好的連接方式而發(fā)生漿液局部回旋的假注漿現(xiàn)象，同時(shí)注漿時(shí)間不明確，水泥漿漿體與襯砌混凝土整體粘結(jié)性差，極易發(fā)生二次脫空、空洞等情況，存在一定的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)。

為此，為規(guī)避安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，課題組開展了“襯砌拱頂帶模注漿一縱向注漿工藝”研究，本課題從2016年6月份至今，歷時(shí)2年，經(jīng)歷了兩個(gè)鐵路隧道項(xiàng)目的全生命周期運(yùn)行，形成了一套獨(dú)立、成熟、完備的襯砌帶模注漿施工工法，從根本上規(guī)避了火花等安全風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，杜絕了襯砌拱頂部位工藝性脫空問(wèn)題，避免徑向注漿的注漿管埋設(shè)長(zhǎng)度問(wèn)題而導(dǎo)致的防水板破損引發(fā)的質(zhì)量事故風(fēng)險(xiǎn)，解決了縱向注漿無(wú)法有效連接問(wèn)題以及注漿漿液、注漿時(shí)間與混凝土土體的整體性粘結(jié)性問(wèn)題和漿液收縮的二次脫空問(wèn)題，保證襯砌澆筑質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，減少后期工務(wù)段修復(fù)質(zhì)量缺陷的成本等不必要的資源浪費(fèi)，提高了注漿材料與襯砌混凝土的整體性，確保結(jié)構(gòu)更加安全。

1工程概況

第一推廣應(yīng)用項(xiàng)目為新建敘永至畢節(jié)鐵路（川滇段）站前工程施工XZZQSG一2標(biāo)段（云南威信），位于川滇兩省交界的邊遠(yuǎn)山區(qū)，施工起訖里程：DK194+516.98～DK230+910，正線線路全長(zhǎng)36.393km。隧道一共8座29697m，占線路全長(zhǎng)的81.6%，為項(xiàng)目主體工程，且均為單線小斷面隧道，施工難度大，襯砌拱頂脫空的頻率也會(huì)隨著隧道施工的推進(jìn)而增加病害關(guān)系，導(dǎo)致項(xiàng)目不必要的資源浪費(fèi)。且斑竹嶺、歐家灣等隧道為高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤層以及煤礦采礦區(qū)域。瓦斯氣體易燃易爆，且存在瓦斯突出、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。第二推廣項(xiàng)目為成蘭鐵路（四川茂縣）茂縣隧道，起訖里程DKl25+250～D8K131+360，線路全長(zhǎng)6 110m，襯砌段全長(zhǎng)11078m。主要工程量為茂縣隧道單線段。

2當(dāng)前工程特點(diǎn)及工藝存在的問(wèn)題

（1）斑竹嶺、歐家灣等隧道為高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤層以及煤礦采礦區(qū)域。瓦斯氣體易燃易爆，伴隨瓦斯突出和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)帶模注漿作業(yè)中的徑向注漿，采用的水浸法完成通電工作，易產(chǎn)生火花，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）徑向注漿管埋設(shè)注漿，存在著混凝土澆筑中因防水板鋪設(shè)過(guò)緊或防水板坍塌而導(dǎo)致的防水板抵壓破損，存在質(zhì)量安全隱患。

（3）縱向注漿施工技術(shù)的主、副注漿管埋設(shè)距離較近，在注漿過(guò)程中干擾明顯，無(wú)法形成漿液回路，進(jìn)行注漿;注漿管溢漿口采用全長(zhǎng)打孔，在密閉空間中，漿液受到空氣壓強(qiáng)的影響形成了類似“止?jié){墻”的效果，無(wú)法進(jìn)行進(jìn)漿;溢漿口采用梅花形布設(shè)，在澆筑過(guò)程中，膠凝材料容易淹沒溢漿口堵塞注漿管，無(wú)法進(jìn)行輸漿。

（4）縱向注漿管無(wú)有效連接接頭進(jìn)行連接，現(xiàn)場(chǎng)各施工輔助設(shè)備存在不兼容現(xiàn)象。

（5）標(biāo)準(zhǔn)漿液稠度大，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法有效制取。注漿時(shí)機(jī)不明確，過(guò)早注漿，空間還在進(jìn)行發(fā)育;過(guò)晚注漿，混凝土土體與水泥漿漿體整體粘結(jié)性差。

3襯砌拱頂帶模注漿改進(jìn)工藝及機(jī)理

基于項(xiàng)目實(shí)際情況（高瓦斯隧道），故將襯砌拱頂帶模注漿縱向施工工藝作為課題的研究方向。

工藝改進(jìn)理論：后退式帷幕注漿，并根據(jù)分段分節(jié)注漿的特征，從襯砌拱頂?shù)撞窟M(jìn)行漫流式填充注漿。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間情況采用多因素疊加原理進(jìn)行單線隧道小斷面襯砌拱頂帶模注漿一縱向注漿工藝，進(jìn)行二次開發(fā)，其特點(diǎn)是：

（1）做到本質(zhì)安全。從整體工藝出發(fā)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，做到不動(dòng)火作業(yè)，在瓦斯爆炸范疇的三因素中，隔離了明火、火源的產(chǎn)生。即使在發(fā)生故障或操作作業(yè)的條件下，仍保證不產(chǎn)生火源。

（2）優(yōu)化傳統(tǒng)工序。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)掃描的數(shù)據(jù)反饋中，明確理論上頻率最高的脫空區(qū)域和規(guī)避二次質(zhì)量事故的發(fā)生。在保證注漿效果的前提下，最大程度地降低施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。大膽革新，取消了徑向注漿，縮短作業(yè)空間長(zhǎng)度。

（3）優(yōu)化縱向預(yù)埋注漿管的埋設(shè)。采用分級(jí)漫流的原理，對(duì)管道制作、打孔方式、預(yù)埋方式等多位置進(jìn)行調(diào)整，自制注漿接頭，保證注漿管與注漿機(jī)的有效連接;保證現(xiàn)場(chǎng)有效注漿，杜絕了主副注漿管相互干擾的現(xiàn)象發(fā)生，杜絕了左進(jìn)右出形成密閉空間的情況;保證漿液輸送有力，為水泥漿漿液可以平穩(wěn)的送至襯砌拱頂?shù)撞课恢锰峁┝吮ＷC;避免漿液出現(xiàn)假注漿、漿液注不進(jìn)去的現(xiàn)象;保證襯砌施工質(zhì)量，降低了運(yùn)維期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（4）明確了注漿時(shí)間和調(diào)整水膠比。通過(guò)對(duì)襯砌拱頂部位混凝土的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘和MATLAB軟件擬合對(duì)比，完成了襯砌帶模注漿漿液配合比的優(yōu)化和注漿時(shí)間的確定，保證注漿填充效果以及漿液與混凝土土體的粘結(jié)度。

（5）采用隧道注漿注水體系和模塊化操作思路，進(jìn)行預(yù)先制作的思維模式，小單元模塊式控制，現(xiàn)場(chǎng)按照袋裝水泥的50kg單位水泥為漿液制取單位，自制制取桶，標(biāo)準(zhǔn)加水桶，一桶漿液，兩袋水泥，合理制取漿液。最大化地利用時(shí)間間隙，平行作業(yè)，縮小現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間;配置行走機(jī)械，減少人員干擾;注漿注水，避免堵塞;在注漿完成后，組織作業(yè)人員進(jìn)行矮邊墻排水盲管的注水疏通試驗(yàn)。

4襯砌拱頂帶模注漿施工工序流程圖（見圖1）

5襯砌拱頂帶模注漿一縱向施工工藝分解

5.1預(yù)埋縱向注漿管的制作

區(qū)別于傳統(tǒng)襯砌拱頂帶模工藝的全管全長(zhǎng)打孔、梅花形布設(shè)、溢漿孔孔徑2～3mm、全環(huán)打孔的要求，將縱向注漿管打設(shè)方式進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。采取分段打孔埋設(shè)，孔口一致、擴(kuò)大孔徑，間隔埋設(shè)的辦法，保證預(yù)埋注漿管管內(nèi)有壓傳遞和二次推動(dòng)漿液。

預(yù)埋縱向注漿管：選用Ф20mm或Ф25mm的PVC或PPR管，分為主、副注漿管。主注漿管，全長(zhǎng)為襯砌長(zhǎng)度加外露20cm;副注漿管埋設(shè)長(zhǎng)度為襯砌全長(zhǎng)的2/3長(zhǎng)度加預(yù)留20cm（不含襯砌臺(tái)車搭接部分）。

溢漿孔：打孔段為襯砌臺(tái)車全長(zhǎng)的2/3區(qū)間段打孔，即注漿管前端1/3后段落。以12m襯砌為例，主縱向注漿管打孔長(zhǎng)度為=1200×2/3=800cm;副注漿管打孔長(zhǎng)度為=1200×1/3=400cm。在襯砌端部預(yù)留300cm為不打孔段，這是由于在襯砌端部需預(yù)留300～500cm為不打孔段。溢漿孔孔徑在5～8mm，并以一字溢漿孔形式進(jìn)行布設(shè)，孔距50～80cm。

5.2預(yù)埋縱向注漿管與注漿機(jī)的連接

自制的快速連接接頭，采用1mm的孔徑差和漿液對(duì)其進(jìn)行填充產(chǎn)生的封閉作用進(jìn)行自鎖固定，利用嵌合段的吸附緊固原理完成緊固目標(biāo);利用DN20絲口接頭注漿機(jī)連接，同時(shí)采用135°夾角，用于作業(yè)空間的擴(kuò)充，保證作業(yè)空間滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。如圖3所示。

完成隧道注水注漿體系的修正，將全隧道進(jìn)行模塊化操作。在完成單線襯砌拱頂帶模注漿的工作后，完成整體注漿注水體系的修正，保證現(xiàn)場(chǎng)注漿注水的模塊化操作與便捷性操作，方便現(xiàn)場(chǎng)施工。（一種全隧模塊化通用型快速注漿注水體系;專利號(hào)：201821939869.2）

5.3襯砌拱頂帶模注漿，注漿空間的測(cè)定

根據(jù)設(shè)計(jì)圖提供的鐵路隧道單線段設(shè)計(jì)輪廓圖，理論推算出拱頂部位最頂部1cm、2cm、3cm、4cm所形成的輪廓空間，并按照空間大小反推理論注漿量和不同水膠比下的水泥用量（如圖4所示）。

襯砌拱頂部位的空間，屬于相對(duì)密閉空間，它的形成受到臺(tái)車澆筑前后的彈性變形、混凝土收縮以及襯砌澆筑完成后泵送管道積存應(yīng)力的瞬間釋放和現(xiàn)場(chǎng)封堵不及時(shí)而產(chǎn)生的混凝土掉落形成的脫空空間、拱頂部位混凝土無(wú)法振搗自密實(shí)效果差存在不均勻縫隙以及防水板澆筑中出現(xiàn)的折皺因素的影響。

將單線段馬蹄形斷面二襯注漿水泥有效用量規(guī)定在350kg范圍內(nèi)，不得超過(guò)400kg，見下頁(yè)表1。

當(dāng)水泥有效用量超過(guò)400kg時(shí)，應(yīng)立即停止注漿，分析原因，探究混凝土澆筑過(guò)程和施工質(zhì)量，制定補(bǔ)救措施，及時(shí)追責(zé)。

5.4帶模注漿的時(shí)機(jī)的確定

傳統(tǒng)注漿時(shí)間要求在襯砌脫模前進(jìn)行注漿，即按照規(guī)范要求，襯砌脫模的要求是“拆模前的混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到8MPa"的條件。但通過(guò)對(duì)襯砌混凝土同條件試塊的時(shí)間比對(duì)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到8MPa的時(shí)間（實(shí)際超過(guò)24h）已經(jīng)超過(guò)了終凝時(shí)間，應(yīng)在這一時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注漿。

5.5對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土初凝時(shí)間的確定

襯砌帶模注漿的目的是為了填充混凝土澆筑產(chǎn)生的空隙。從理論試驗(yàn)中獲得：在混凝土初凝時(shí)間的第1/2時(shí)間點(diǎn)開始進(jìn)行注漿，于初凝前完成注漿，可以保證混凝土與水泥漿液的整體性，并可以避免二次脫空。但在襯砌拱頂部位的混凝土與襯砌兩側(cè)混凝土存在著一定區(qū)別，水膠比高，具有較強(qiáng)的保水性和流動(dòng)性。同時(shí)為了保證沖頂成功和澆筑混凝土的飽滿度，故坍落度較大，初凝時(shí)間長(zhǎng)。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際襯砌拱部混凝土和拱頂混凝土的初凝狀態(tài)的試驗(yàn)中，可以得出：襯砌拱頂部位混凝土初凝時(shí)間與常規(guī)襯砌混凝土初凝時(shí)間相差約1h，實(shí)際初凝時(shí)間為7h。

同時(shí)在對(duì)拱頂部位進(jìn)行勘查得出：拱頂部位混凝土受到現(xiàn)場(chǎng)混凝土振動(dòng)不足的影響，相對(duì)結(jié)構(gòu)較松散，自密實(shí)程度差和拱頂襯砌厚度相對(duì)全環(huán)襯砌相對(duì)較薄，相對(duì)截面區(qū)域面積小，體表面積大，初支圍巖面等物體的比熱容較大，吸收熱量高，混凝土土體溫度上升慢。減緩水泥水化反應(yīng)速率，持續(xù)的低溫水化環(huán)境可以明顯地減少，混凝土初凝時(shí)間整體延長(zhǎng)。

根據(jù)混凝土前期水化反應(yīng)，與MATLAB軟件擬合計(jì)算，得出持續(xù)低溫環(huán)境以及水膠比對(duì)水泥水化各個(gè)齡期的水化放熱均有較大影響。其結(jié)果為：溫度降低會(huì)減緩水泥水化反應(yīng)速率。持續(xù)的低溫水化環(huán)境可以明顯地減少水泥水化在各個(gè)齡期的水化放熱，降低各個(gè)齡期的水化程度，得出了不同持續(xù)低溫環(huán)境對(duì)水泥水化放熱的影響變化規(guī)律：水泥水化放熱受單一變量即持續(xù)低溫環(huán)境的影響變化規(guī)律之后，同時(shí)又進(jìn)一步探究了受水膠比以及持續(xù)低溫雙重因素影響的水泥水化放熱規(guī)律。持續(xù)低溫環(huán)境下，水泥水化水膠比越低，水化速率會(huì)隨之降低，水化反應(yīng)相應(yīng)延緩，其水泥水化放熱以及水化程度也相應(yīng)越低，便于實(shí)現(xiàn)考慮不同持續(xù)低溫以及不同水膠比雙重因素影響的水泥水化放熱計(jì)算。

將襯砌拱頂帶模注漿的時(shí)間修正，以現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到初凝狀態(tài)為考量，以水泥漿漿體與混凝土土體粘結(jié)效果為最終目標(biāo)，澆筑完成混凝土的第7h開始，即理論混凝土初凝時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行注漿，1h內(nèi)完成注漿作業(yè)（實(shí)際一般在30min內(nèi)完成），最長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)1h。

5.6帶模注漿的材料

帶模注漿的漿液主要以填充功能為主，故因過(guò)高的水膠比易導(dǎo)致漿液凝固時(shí)收縮較大。在水泥漿中的水膠比為0.38時(shí)，凝固后的收縮率僅為3.8%;而水膠比為1.0時(shí)收縮率已超過(guò)20%。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)注漿用的輸漿管為Ф20m注漿管，最大全長(zhǎng)為21m，最大高差為10m。現(xiàn)場(chǎng)壓力折損明顯，現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力要求高。

基于注漿目的的要求，為保證注漿材料具有良好的結(jié)實(shí)率，以起到填充效果，避免二次填充注漿。故創(chuàng)造性地引入減水劑，優(yōu)化其流動(dòng)性和稠度。摻入常規(guī)減水劑，在水膠比不變的前提下，減水劑使得水泥顆粒分散程度增加，加速了水泥顆粒的水化，使部分自由水變?yōu)榻Y(jié)合水。對(duì)水泥顆粒的分散能力增大，改善其工作性能，改善漿液的流動(dòng)性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，選定配合比為：水泥：水：膨脹劑：減水劑=1：0.4：0.1：0.01，其允許偏差的范圍為水泥：水：減水劑：膨脹劑=1：0.38～0.40：0.10～0.12：0.01～0.012。

其中膨脹劑的自由膨脹率為0.3%～2%，因過(guò)高的膨脹率會(huì)影響強(qiáng)度指標(biāo)，規(guī)定上限為2%。微膨脹劑以水泥重量的12%為佳，最大不宜超過(guò)15%，以制取的微膨脹水泥漿不產(chǎn)生收縮為標(biāo)準(zhǔn)。

5.7注漿施工方法和注漿標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)快速接頭，連接后進(jìn)行主注漿管的壓漿，待漿液從副注漿管管口溢出后，封堵注漿管;再進(jìn)行副注漿管的壓漿，待二襯端頭出漿后封堵注漿管，停止注漿。

現(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中，采用漿液提前制取，兩個(gè)攪拌桶交替作業(yè)的方法，每個(gè)攪拌桶以50kg水泥為制漿單位，進(jìn)行定向標(biāo)定。一桶50kg水泥制取的漿液，制作量小且方便制取，同時(shí)避免了漿液制取不標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。一桶漿液在使用過(guò)程中，另一桶漿液開始制取，不間斷操作，小型化操作，避免了空間占用和漿液過(guò)剩而導(dǎo)致材料浪費(fèi)。

平均帶模注漿循環(huán)工序時(shí)間有效控制在30min之內(nèi)，比傳統(tǒng)注漿工序的1.5h以及至少1h的注漿機(jī)搬運(yùn)時(shí)間節(jié)省很多。

注意事項(xiàng)：

在現(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中，襯砌環(huán)向施工縫位置、縱向泄水管道口以及上版襯砌存在硐室的，出現(xiàn)滲水、滲水泥漿液現(xiàn)象，均應(yīng)立即停止注漿，通知管理人員，分析原因，調(diào)整漿液稠度，增大水泥量或制定其他方案，并及時(shí)追責(zé)。

漿液制取，應(yīng)做到隨取隨用，一般超過(guò)2h未灌注則必須作廢。

6應(yīng)用實(shí)例

本課題研究工法，從2016年7月至今，在敘畢鐵路斑竹林隧道、下坪隧道、歐家灣隧道、長(zhǎng)嶺隧道、下寨隧道和成蘭項(xiàng)目茂縣隧道進(jìn)行推廣，并獲得業(yè)主與監(jiān)理單位的認(rèn)可。

2018年11月，經(jīng)西南科技信息中心查新：涉及本項(xiàng)目所述特點(diǎn)的單線鐵路隧道襯砌拱頂預(yù)設(shè)、帶?？v向注漿施工技術(shù)，在所檢文獻(xiàn)以及時(shí)限范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)未見相同文獻(xiàn)報(bào)道。關(guān)鍵技術(shù)2018年12月經(jīng)山西省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳鑒定，水平達(dá)“國(guó)內(nèi)先進(jìn)”。

本課題工法，于2018-12-06獲中鐵十七局集團(tuán)有限公司企業(yè)級(jí)工法認(rèn)定。

7結(jié)語(yǔ)

（1）本技術(shù)研發(fā)對(duì)象為襯砌拱頂帶模注漿縱向注漿施工技術(shù)工藝，從2016年7月適用至今，歷經(jīng)了敘畢鐵路和成蘭鐵路兩個(gè)鐵路項(xiàng)目的隧道工程全生命周期運(yùn)行，對(duì)施工工藝的不間斷修正，具有良好的適用價(jià)值。

（2）本技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工技術(shù)要求較高，施工工藝繁瑣。如果對(duì)本技術(shù)進(jìn)行引用，則需要現(xiàn)場(chǎng)管理的嚴(yán)格管控，執(zhí)行落實(shí)問(wèn)題，是本技術(shù)的核心。如果沒有強(qiáng)有力的執(zhí)行，則本技術(shù)永遠(yuǎn)處于理論階段。

（3）現(xiàn)場(chǎng)注漿的確定，本論文從實(shí)踐反推理論，不斷修正的結(jié)果，如果需要引用，還需要對(duì)論文中的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，避免出現(xiàn)引用錯(cuò)誤。