隧道二衬拱顶脱空预注浆施工技术

钟亮根

(昌九城际铁路股份有限公司, 江西南昌 330000)

隧道二衬拱顶脱空预注浆施工技术

钟亮根

(昌九城际铁路股份有限公司, 江西南昌 330000)

二衬拱顶脱空是隧道工程建设中常见的质量缺陷，如何有效控制二衬拱顶脱空成为控制隧道施工质量的关键，以消除隧道长期营运潜在的安全隐患。文章在分析二衬拱顶脱空成因的基础上，提出了二衬拱顶预注浆施工技术，介绍了施工工艺及其特点、注浆过程常见问题原因分析及对策，通过质量检测，探讨了施工质量及安全控制措施。最后，通过实例说明，实施预注浆施工后，二衬拱顶脱空比例由一般的2 %～5 %减少至0.5 %以下，脱空处理效果好，且操作简单，具有良好的社会和经济效益。

隧道； 二衬； 拱顶脱空； 预注浆； 施工技术

目前，我国交通基础设施的建设规模不断扩大，隧道工程数量不断增加，且基本上采用复合式衬砌结构，由于施工工艺的缺陷，二衬拱顶脱空问题十分普遍，国内外对此也有大量的文献资料。王颖等从混凝土硬化干缩、防水板富余量等方面，对隧道二衬空洞的成因进行了分析，并有针对性的提出了掺入外加剂、保证松铺系数等对策[1-3]；而王义东等则认为，拆模后采用地质雷达检测，对脱空部位采用钻孔、注浆充填，可以使衬砌背后更加密实[4-5]，并对钻孔注浆的工艺流程及脱空的预防措施作了阐述；赵国刚等通过分析二衬空洞造成衬砌厚度不足、结构受力变化等质量缺陷，增加了二衬结构破坏、渗漏水、掉块、甚至坍塌的安全隐患，给运营安全带来不利影响[6-7]；刘海京等通过模拟衬砌结构和围岩相互作用的应力分布情况表明，空洞周围接触压力明显集中，对围岩的应力重分布影响较大。因此，许多隧道不得不对存在空洞的衬砌结构进行安全评估，并采取注浆等措施进行加固[8-10]。目前，大部分学者从脱空的成因及其影响、拆模后竖向注浆加固等方面进行了研究，而对预防性的措施则主要是从施工注意事项方面进行了探讨，真正从预注浆等预处理措施的研究并不多。本文从二衬拱顶背后空洞成因分析入手，探讨了二衬拱顶预注浆施工技术的工艺特点、注浆过程种中常见问题的原因及处理对策、质量检验方法、质量及安全控制、措施等，并通过实例证明，预注浆施工技术处理隧道二衬拱顶脱空效果明显、操作简单，且具有良好的社会和经济效益。

1 拱顶脱空原因分析

新奥法在隧道施工中得到了普遍应用，其一般采用初期支护、防水层及二衬构成复合式衬砌结构。二衬基本采用模板台车浇注，如图1所示，浇注工艺为：初期支护断面检查→铺设防水层→模板台车定位→挡头模板固定→混凝土浇筑→拆模养生。

混凝土浇筑过程中，首先通过模板两侧的观察孔向模板内泵入混凝土至观察孔时封闭，再从上一排观察孔泵入至模板顶部泵送口，压满后封闭，拆除泵送管，完成二衬混凝土的浇注。因此，拱顶易出现二衬混凝土不密实、二衬背后空洞等质量缺陷，其主要原因是：

(1)混凝土施工时存在配合比(坍落度)偏大、振捣不密实、混凝土自重下沉、混凝土收缩徐变等原因。

(2)混凝土泵送过程中，部分空气密闭在狭小的空间内无法排出。

(3)端头模板安装不严密、封堵不密实，导致端头处出现漏浆，故而形成混凝土不密实。

(4)防水板(含土工布)挂设松散系数不合适，如挂设太紧，则防水板(含土工布)不能紧贴初支基面，导致其背后的空隙脱空；反之挂设太松，则板因受挤压形成褶皱，导致在褶皱间的孔隙空洞。

2 拱顶脱空预注浆施工技术

上述原因导致的二衬背后脱空等质量缺陷，给围岩变形提供了空间，影响混凝土结构受力，给施工及营运带来安全风险。而施工时在二衬拱顶预留注浆孔，通过预留注浆孔注浆填满空隙，则能避免二衬拱顶脱空，达到混凝土饱满的效果。

2.1 施工工艺

2.1.1 作业准备

2.1.1.1 注浆材料

注浆浆液采用1∶1普通硅酸盐水泥浆液，每盘注浆料采用50 kgP.O 42.5硅酸盐水泥及50 kg水进行搅拌。

2.1.1.2 机械设备

注浆机械包括注浆泵、搅拌机以及配套的高压胶管、压力表，一个作业面配置一套注浆机械。注浆泵应有足够的排浆量，泵压大于最大注浆压力的1.2～1.5倍，使用单液注浆泵即可满足施工要求；搅拌机使用常用的立式叶片轮搅拌机，容积不小于200 L；高压胶管使用φ25 mm的高压胶管；压力表必须经过检定合格方可使用。

2.1.1.3 注浆管埋设

现场加工制作注浆管，注浆管采用φ20 mm聚乙烯管或PVC管，注浆管每隔10 cm设置螺旋切口，切口周长为管周长的1/2～1/3，安装时切口朝上；注浆管外露部分采用Φ20 mm镀锌钢管与注浆管采用丝扣连接，并在镀锌管尾部连接止浆阀。在注浆管底部连接排气管，以确保注浆过程中排出二衬混凝土浇筑过程中密封的空气，排气管与注浆管采用胶带绑在一起。

每循环衬砌台车定位前，将纵向注浆管设于正拱顶紧贴防水板(防水板内侧，衬砌外边缘)，采用防水板条(5 cm宽、15 cm长)焊接固定在防水板内侧，防水板条固定位置纵向间距70～80 cm，纵向注浆管结合环向施工缝在拱顶位置通长布置。纵向注浆管预埋时，将止浆阀一端预留至衬砌端头模板外，以便在混凝土施工后立即对该段衬砌进行注浆处理(图2)。

2.1.2 工艺流程

工艺流程如图3所示。

在混凝土浇筑完成后，立即对本循环衬砌进行注浆，注浆过程中，排气管及竖向注浆管冒浆时，采用止浆塞封闭排气管及竖向注浆管后，采用0.4 MPa压力持续压浆8 min后停止注浆。

注浆结束后待混凝土终凝后脱模，进行地质雷达扫描检测，若扫描结果正常，则进行下一板二衬施工。如扫描仍存在脱空现象，这针对脱空部位进行二次注浆，二次注浆为通过竖向注浆管注浆辅以局部开孔注浆的方式。

2.1.3 操作要点

2.1.3.1 准备工作

(1)材料数量、种类是否齐全，品质是否保证；

(2)机具是否齐备、完好；

(3)供水、供电是否齐全、方便；

(4)按配方称量浆体材料；

(5)按要求连接装好注浆机械各部件。

2.1.3.2 搅拌水泥浆

搅拌要求：搅拌水泥浆之前，加水空转数分钟，将积水倒净，使搅拌机内壁充分湿润。搅拌好的灰浆要做到基本卸尽。在全部灰浆卸出之前不得再投入未拌合的材料，更不能采取边出料边进料的搅拌方法。

(1)首先将称量好的水、水泥倒入搅拌机中，每盘料使用50 kg水泥、50 kg水，搅拌时间不低于60 s；

(2)水泥浆出料后应尽量马上泵送，否则要不停地搅拌；

(3)必须严格控制用水量，否则多加的水全部泌出，易造成管道顶端有空隙；

(4)对未及时使用而降低了流动性的水泥浆，严禁采用增加水的办法来增加灰浆的流动性。

2.1.3.3 注浆

(1)将水泥浆液加入注浆泵中，在注浆泵的高压橡胶管出口打出浆体，待浆体浓度与注浆泵中的浓度一样时，关掉注浆泵，将高压橡胶管接到注浆管上，连接牢固；

(2)启动注浆泵，打开止浆阀，开始注浆；

(3)注浆压力控制在0.2～0.4 MPa，采用逐级加压式注浆，注浆速度控制在30～60 L/min；

(4)观察排气管的出浆情况，当浆体稠度和注入之前一样时，关掉排气阀，继续持压8 min，使管道内有一定的压力，最后关掉止浆阀；

(5)注浆工作宜在灰浆流动性没有下降的30 min内连续进行。

2.1.3.4 清洗

拆下注浆管，清洗注浆泵、搅拌机、阀门以及粘有灰浆的工具。

2.1.4 技术资料管理

注浆过程中，技术及试验人员全程监控记录，记录的主要内容为注浆时间、注浆里程段落、注浆压力、注浆量以及注浆过程中的其他问题，并留下书面记录资料和影像资料，便于分析注浆功效，对注浆效果检查评定亦有着重要的参考作用。

2.2 工艺特点

二衬预注浆工艺是二衬施工时在拱顶预留注浆管，注浆管沿一板二衬长度通长布置，注浆口设在端头处，二衬混凝土浇筑完毕后马上进行注浆，这种注浆方式是纵向注浆、主动注浆，既能够填满二衬拱顶的空隙，又可以保证浆液与二衬混凝土有效结合成为一个整体。

其主要特点如下：

(1)为纵向注浆，通过二衬端头预留的注浆管注浆填满二衬拱顶空隙，达到混凝土密实的效果。

(2)在混凝土凝固前注浆，浆液容易填满空隙，并且能与二衬混凝土形成整体，减少干缩空隙。

(3)充分利用二衬台车作业，使用机具设备均为常规机具设备，操作简单，施工工艺容易掌握，便于推广应用。

(4)与传统的竖向注浆相比，本工艺不需要专用注浆台架，二衬施工完直接注浆，处理拱顶脱空效果明显，减少了大量后期处理的费用，省工省时，提高了经济效益。

2.3 注浆过程种常见问题及对策

注浆过程中常见的问题有注浆管理堵塞、漏浆等，具体原因及处理对策见表1。

2.4 质量检验与控制措施

2.4.1 检验方法

(1)直接观察。拆除二衬端头模板后，观察端头注浆管附近浆液充盈度，看浆液是否将拱顶的空隙全部充填，注浆管内浆液是否填满。

(2)地质雷达无损检测。台车移开后使用地质雷达扫描二衬拱顶，根据扫描结果分析是否拱顶还有脱空部位，然后根据扫描结果确定下一步处理办法。

2.4.2 质量控制措施

(1)注浆材料要满足试验要求，严禁使用过期或者结块水泥；

(2)浆液要搅拌均匀，未搅拌均匀或沉淀的将夜严禁使用；

(3)注浆过程中要时刻注意压力和流量变化，发现异常时要查找原因，并及时处理；

(4)注浆过程要连续进行，注浆泵发生故障时，应立即换用备用泵继续注浆；

(5)注浆过程中要保持注浆管路畅通，防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断；

(6)严格执行注浆效果检查评定，符合要求时才能结束注浆作业；

(7)严格做好注浆过程记录，为效果分析提供数据支撑；

(8)注浆结束后，应对注浆泵及管路进行清洗，以保证下次注浆顺利进行。

2.5 安全控制措施

施工时重点要做好以下几方面的安全防范工作：

(1)注浆管路及连接件必须使用耐高压装置，防止管路和连接装置爆裂伤人；

(2)孔口管、止浆阀要安装牢固，施工期间严禁人员站在其冲出方向前方，防止冲出伤人；

(3)注意机械设备使用、保养、维修，注意用电安全，非专业人员严禁拆卸设备；

(4)拱顶注浆属高空作业，要严格执行高空作业有关规定，尤其是台车防护栏杆必须按要求做好，防止人员高空坠落；

(5)发生管路堵塞时，要仔细查找原因，妥善处理，严禁直接拆卸管路，防止浆液喷出伤人。

3 效益分析

合福客专桃源隧道全长4 467 m，位于江西省上饶市婺源县境内，2011年10月份施工完毕的二衬有3 580 m，经地质雷达扫描检测，拱顶背后脱空比例为3.7 %，2012年4月份开始采用二衬预注浆技术后，拱顶背后脱空比例减少为0.4 %，脱空百分比减少3.3 %，效果明显，地质雷达扫描结果如图4、图5所示。在施工过程中，通过主动注浆解决了二衬拱顶脱空的问题，节约了后期处理的施工台架和装载机配合费用，通过测算，每1 km二衬可节约脱空处理费用6.5万元，经济效益可观。同时，竣工验收一次性通过率高，社会效益良好。

4 结论

在二衬施工过程中，通过拱顶预注浆施工技术可解决大部分二衬背后脱空等质量缺陷。与传统的竖向注浆比较，其具有以下优点：

(1)主动纵向式注浆，注浆口设在端头处，注浆管沿二衬长度通长布置，二衬混凝土浇筑完毕后立刻进行注浆，孔隙填充效果较好，且易与二衬混凝土形成整体，减少干缩空隙，从而达到混凝土密实的效果。

(2)预注浆施工充分利用二衬台车作业，无需专用注浆台架，节约了后期处理需投入的人员、设备及相关费用，提高了经济效益。

(3)实例表明，预注浆后二衬拱顶脱空比例由一般的2 %～5 %减少至0.5 %以下，一次性交验通过率高，避免了质量缺陷带入运营阶段，社会效益良好。

[1] 王颖.隧道二衬背后空洞的成因分析及处理措施[J].中国高新技术企业,2014(17):116-117.

[2] 杨小玉.隧道二次衬砌与初期支护间脱空原因分析及处理[J].中国安全生产科学技术,2012,8(2):140-143.

[3] 袁成海,汤晓辉，伍毅敏, 等.隧道二次衬砌空洞的成因与对策[J].交通运输研究,2010(10):109-112.

[4] 王义东.隧道衬砌拱顶脱空原因分析和处理机防治[J].科技与创新,2015(9):142-143.

[5] 张立兴,杨文平.隧道二次衬砌背后脱空的防治[J].中国港湾建设,2013(5):62-63.

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[7] 周涛,党海燕.隧道衬砌背后空洞引起塌方的分析与处理[J].上海地质,2007(2):11-12.

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[10] 韩先怀.隧道锚喷及二衬空洞的原因、预防与处理办法[J].山西交通科技,2011(3):35-36.

钟亮根(1984～)，男，硕士研究生，工程师，从事铁路工程建设管理工作。

U455.91

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[定稿日期]2017-04-20